清华大学胡黎明土力学-土的渗透性和渗流.

第二章土的渗透性和渗流问题第一章土的物理性质与工程分类§1.1土的形成§1.2土的三相组成§1.3土的物理状态§1.4土的结构§1.5土的工程分类§1.6土的压实性复习第二章土的渗透性和渗流问题土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物风化岩石地球土地球搬运、沉积§1.1土的形成复习风化作用：物理风化化学风化生物风化搬运与沉积：残积土，运积土运积土：坡积土；洪积土；冲积土；湖泊沼泽沉积土海相沉积物；冰积土；风积土第二章土的渗透性和渗流问题土是三相体系：固相、液相和气相1.固体颗粒2.土中水3.土中气体§1.2土的三相组成粒径级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体复习第二章土的渗透性和渗流问题§1.3土的物理状态WaterAirSolidVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的物理性质指标三相草图基本试验指标密度、土粒比重、含水量其它物理性质指标孔隙比e或孔隙度n；饱和度Sr；密度和容重指标复习第二章土的渗透性和渗流问题§1.3土的物理状态pLpLI1.粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr2.细粒土的稠度状态指标:液性指数IL定义判别标准定义判别标准界限含水量S、P、L塑性指数IpminmaxmaxreeeeD土的物理状态指标复习第二章土的渗透性和渗流问题土颗粒或粒团的空间排列和相互联结土粒间的作用力粘性土的结构性指标土的结构粗粒土的结构单粒结构细粒土的结构分散结构凝聚结构重力起主导作用§1.4土的结构复习第二章土的渗透性和渗流问题建筑地基基础设计规范GB50007-2002分类法水利部SL237-1999分类法土的组成土的状态土的结构将工程性质相近的土进行分类目的：便于调查研究、分析评价和交流依据：最能反映土的物理力学性质的指标§1.5土的工程分类复习第二章土的渗透性和渗流问题一.室内击实试验二.细粒土的压实性三.粗粒土的压实性1.击实曲线2.理论分析3.影响因素4.压实标准：压实度1.击实曲线2.理论分析3.压实标准：相对密度§1.6土的压实性复习土力学（1）绪论第一章土的物理性质与工程分类第二章土的渗透性和渗透破坏第三章土中应力计算第四章土的变形特性第五章土的强度第二章土的渗透性和渗流问题第二章土的渗透性和渗流问题§2.0概述§2.1土的渗透性与渗透规律(SeepageTheory)§2.2平面渗流与流网(PlaneFlowandFlowNets)§2.3渗透力与渗透变形(SeepageForceandSeepageDeformation)先修课程：水力学第二章土的渗透性和渗流问题碎散性三相性孔隙流体流动渗透性：土具有被水、气等液体透过的性质渗流：水、气等在土体孔隙中流动的现象概述能量差第二章土的渗透性和渗流问题土颗粒土中水渗流第二章土的渗透性和渗流问题渗透特性强度特性变形特性概述本章内容饱和土中水的渗透特性渗透问题渗流量渗透变形渗流控制第二章土的渗透性和渗流问题集水建筑物引水结构物挡水建筑物基础工程地下工程边坡工程……第二章土的渗透性和渗流问题第二章土的渗透性和渗流问题§2.0概述§2.1土的渗透性与渗透规律§2.2平面渗流与流网§2.3渗透力与渗透变形第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降二．渗透试验与达西定律三．渗透系数的测定及影响因素四．层状地基的等效渗透系数第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降静水zA0ABu0pawAugzBwBug基准面zA0ABu0pawAugzBwBug基准面静水位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等第二章土的渗透性和渗流问题g2vuzh2wg水头：单位质量水体所具有的能量位置水头：单位质量水体所具有的位能压力水头：单位质量水体所具有的压力势能流速水头：单位质量水体所具有的动能≈0总水头：总机械能＝位置水头+压力水头+流速水头§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降总水头差产生渗流能量方程测管水头第二章土的渗透性和渗流问题AL透水层不透水层基坑板桩墙§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降连续原理能量方程B第二章土的渗透性和渗流问题ALh1h2zAwAugwBugzBh00基准面wAA1uzhgwBB2uzhgwuzhgLhiA点总水头B点总水头总水头§2.1土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降总水头差渗流B水力坡降i:单位长度上的水头损失h:水头损失第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律h↑，Q↑A↑，Q↑L↑，Q↓LhAQ断面平均流速水力坡降AQvLhiiv1.渗透试验试验前提：层流试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，V，t试验结果LVh1h2dabc012Δh土样0第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律iv2.达西定律ikv渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day渗透系数与土的性质有关。土类k(cm/s)砾石、粗砂10-1~10-2中砂10-2~10-3细砂、粉砂10-3~10-4粉土10-4~10-6粉质粘土10-6~10-7粘土10-7~10-10在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i成正比第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律2.达西定律ikvnvvvsAAvAAnv达西流速v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度孔隙平均渗流速度vs：孔隙断面的平均渗流速度孔隙实际渗流速度?AAvQ＝VA＝VsAv第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律3.达西定律适用条件ikv层流(线性流)：大部分砂土，粉土；普通粘性土两种特例粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vvcr=0.3-0.5cm/s粘性土：致密的粘土，ii0,v=k(i-i0)ivovcrvoi0)1m(kivmii0:起始水力坡降第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素1.渗透系数的测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验水力学第二章土的渗透性和渗流问题ALQΔh土样§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验方法1—常水头试验试验条件：h，A，L=const量测变量：V，t结果整理：i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk常水头试验适用土类：透水性较大的砂性土试验装置第二章土的渗透性和渗流问题t=t1dht=t2aALQΔhΔh1Δh2土样开关水头管§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验方法2—变水头试验试验条件：h变化，A、L=const量测变量：h，t透水性较小的粘性土变水头渗透试验装置21lnhhAtaLkt1、t2时刻：h1，h2iodVadhdVkiAdt第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验方法2—变水头试验理论推导:dVe=-adhdVo=kiAdt=k(h/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(h/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLtt=t1dht=t2aALQΔhΔh1Δh2土样开关水头管变水头渗透试验装置21hhlnAtaLk第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验方法—小结常水头试验变水头试验条件已知测定计算取值h=consth变化h，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLkhtAVLk不同时段试验，取均值适用砂性土粘性土第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素室内试验方法—小结优点：设备简单，费用较省缺点：重塑土样不能反映结构性和各向异性原状土样不易取得现场试验：测定现场土层的渗透性质第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素野外测定方法—抽水试验和注水试验法•优点：可获得较为可靠的现场平均渗透系数•缺点：费用高，耗时长地下水位≈测压管水位井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井试验方法212212hh)r/rln(Qk降落漏斗第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素野外测定方法—抽水试验和注水试验法理论分析地下水位≈测压管水位井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ)hh(krrlnQ212212212212hh)r/rln(Qk假设水流为水平流向竖直断面水力坡降为常数第二章土的渗透性和渗流问题k=f(土体特性、流体特性)§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素2.影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度孔隙流体的动力粘滞系数第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素2.影响因素-土体特性粒径大小及级配－孔隙直径孔隙比－孔隙体积矿物成分－表面力结构－排列形式，各向异性饱和度－有效渗透面积21040~150kcdc31ekexzkk第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素2.影响因素-土体特性饱和度－有效渗透面积注意：测量k值时，试样要充分饱和饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律三.渗透系数的测定及影响因素2.影响因素-流体特性粘滞性－温度注意：测量k值时，进行温度校正温度升高，粘滞性降低，k值变大第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层土的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状ikv非均匀各向异性如何进行渗流计算？多个土层用假想单一土层置换，总体上可以用Darcy定律描述第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律四.层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流已知条件:Lhiiiixxqq等效渗透系数:qxi=vxiHi=kiiHiqx=ΣkiiiHi=kxiHiixHkH1k闸板闸门达西定律:各层水力梯度相同渗流关系:123123,,;,,HHHkkk第二章土的渗透性和渗流问题§2.1土的渗透性与渗透规律四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流等效渗透系数:H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水已知条件:vviihhvi=ki(hi/Hi)iiikvHhzkvHhiizkvHkvHiizkHHk11iziHkHk达西定律:渗流关系:1231