第3章 土的渗透性和渗流 ppt课件

1、第第3章章 土的浸透性和渗流土的浸透性和渗流3.1 3.1 概述概述主要内容：土的浸透性和浸透规律研讨对象：饱和土体“土中的水并非处于静止不变的形状，而是运动着的土中的水并非处于静止不变的形状，而是运动着的 土的浸透性问题 土的固结问题 土的毛细景象 冻结时水分挪动河滩路堤下的渗流河滩路堤下的渗流 3.2 土的浸透性和渗流定律3.2.1 浸透性土孔隙中的自在水在重力作用下发生运动的景象。渗流模型根本假定：不思索渗流途径的迂回曲折，只分析它的主要流向；图3-1 渗流模型 以为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充溢。 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；图3-1 渗流模型 任一界面上

2、，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； 一样体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。1.渗流速度 断面面积为A，经过的浸透流流量为q，那么平均流速为：v=q/A 真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：v0=q/A 于是 v/v0=A/A=n “模型的平均流速要小于真实流速能量是用水头来表示，能量是用水头来表示， Bernoulli Bernoullis Equations Equation：22wuvhzgz 位能水头;u 静水压力;w水重度;h-总水头wuhz2.水头 假设忽略流速的影响，那么假设忽略流速的影响，那么v-流速AAAhHZ/AAwHuBBBhHZ/BBwHuABhhh

3、3.水头差(A点与B点) 水力梯度:单位流程总水头的变化hiL4.水力坡降 l水头的大小随选取的基准面不同而不同；留意：l最关怀的不是水头而是水头差；l水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。 例例3-1 3-1 求：求：1 1截面的位置水头、压力水头和总水头截面的位置水头、压力水头和总水头 2 2截面之间的水头损失和水力梯度截面之间的水头损失和水力梯度解：解： (1) aa 截面5 1520azcm(2) cc 截面0cz 5wchcm5ccwchzhcm10wahcm30aawahzhcmcc取为基准面(3) bb 截面5bzcm552511.25;525bcbcacLhhhcmL11.25

4、56.25wbbbhhzcm 5255abcabc总水头变化：总水头变化： 水力梯度：水力梯度： 30 11.25 18.75ababhhhcm11.25 5 6.25bcbchhhcm 251.2520acachiL 5255abcabc30 5 25acachhhcm 法国学者达西(Darcy),砂土实验结果1852-1855 浸透速度与水头梯度成正比：v=ki或 q=kiA式中：v浸透速度(m/s)； i水头梯度； k浸透系数(m/s)； q浸透流量(m3/s) A截面积。 图3-4 Darcy浸透定律3.2.2 Darcy浸透定律例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20

5、cm,总水头损失40cm，土样l浸透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的浸透系数和土样1的水力坡降。图3-4 Darcy浸透定律解 水头损失之和等于总水头损失： h1+h2=h=40cm 根据水力坡降的概念，有 i2=h2/L2=0.5， 而L2=20cm得 h2=10cm h1=hh2=4010=30cm解 土样1的水力坡降 i1=h1/L1=1.5水在土样1和土样2中渗流时的速度一样:v=k1i1=k2i2 得 k2=0.09cm/s。图3-4 Darcy浸透定律例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l浸透系数为0.03

6、cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的浸透系数和土样1的水力坡降。q 达西定律只适用于层流q 适用于中砂、细砂、粉砂等q 粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适宜。 图3-5 水力坡度与渗流速度关系3.2.3 Darcy定律适用范围q 粘土不完全符合达西定律，需进展修正图3-6 砂土和粘土的浸透规律 粘土中存在起始水头梯度i0 修正后：v=k(i-i0) 图3-6绘出砂土与粘土的比较。 关于起始水力坡降能否存在也有不同观念。3.2.4 浸透系数的测定测定方法室内试验方法现场试验常水头试验-适用于中、粗砂变水头试验-适用于粘性土1.常水头浸透实验图3-7 常水头浸透实验 hQqtkiAtkAtL那

7、么得QLkhAt故浸透系数为 截面积为A，流径L； 压力水头维持不变； 实验开场时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得a、b两点水头差h。常水头浸透实验安装2.变水头浸透实验图3-8 变水头浸透实验 土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 实验开场储水管水头为h0 经过时间t后降为h1 时间dt内水头降低dh，水量为： dQ=-adh 另外 dQ=kiAdt=k(h/L)Adt流入和流出相等：adh= k(h/L)Adt 0101ln()haLttkAh0101ln()()haLkA tth由此求得浸透系数：1100()ththaLdhdtkAh整理并积分得aLdh

8、dtkAh 即变水头浸透实验安装3.现场抽水实验图3-9 抽水实验 粗颗粒土或成层的土，室内实验时不易获得原状土样； 小土样不能反映天然土层的构造性。现场方法：野外注水实验和野外抽水实验等抽水量为抽水量为Q观测孔间隔分别为观测孔间隔分别为rl和和r2 ，水位高度，水位高度h1和和h2r处水面高度处水面高度h，过水断面，过水断面A2rh 图3-9 抽水实验 :h液面处水力坡降dhidr2dhqkrhdr图3-9 抽水实验 Darcy由定律：2drqh k dhr 即：22112rhrhdrqkhdhr222211ln()()rqk hhr212221ln(/ )()qrrkhh两边积分： 故浸透

9、系数为 分析表3-1浸透系数值: 可见：不同土类的浸透系数值差别很大表3-1 浸透系数参考值 浸透系数的测定非常重要1土的粒度成分及矿物成分。2结合水膜厚度。3土的构造构造。4水的粘滞度。4. 影响土的浸透性的要素3.3 渗流破坏和控制3.3.1 浸透力的计算a水土整体 b土骨架 c水图3-10 土颗粒和水受力表示图“它是体积力它是体积力概念：水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。 计算原理：计算原理：a水土整体 b土骨架 c水 (1) (1) 沿流线方向取一截面积为沿流线方向取一截面积为A A，长为，长为L L的土样。的土样。 (2) (2) 讨论作用在土样上的力讨论作用在土样上的力a水土整

10、体 b土骨架 c水水土整体水土整体a流入面的静水压力流入面的静水压力whlAb流出面的静水压力流出面的静水压力wh2Ac土样重力在流线上的分量土样重力在流线上的分量Fw=satLAd土样底面所受的反力土样底面所受的反力p 其中：其中：h2=hl+Lh土骨架土骨架 a水土整体 b土骨架 c水图3-10 土颗粒和水受力表示图a土骨架所受浮重力土骨架所受浮重力Fw=LAb总浸透力总浸透力J=jLA，方向向下，方向向下c土样底面所受的反力土样底面所受的反力p水水a孔隙水分量和土粒浮力反力之和Fw=wLAb流入面和流出面的静水压力whlA和wh2Ac土粒对水的阻力J ，大小与浸透力一样，方向相反 土颗粒

11、 水 (3) 力的平衡条件：力的平衡条件：水体的平衡jwhLwiwJhA 总浸透力为：总浸透力为：调查土样中的水在垂直方向的受力平衡：调查土样中的水在垂直方向的受力平衡：那么那么: whlA+wLAwh2A =JjLA “留意：留意： wLA 为孔隙水分量和土粒浮力反力之和为孔隙水分量和土粒浮力反力之和将将h2=h1+Lh代入上式，得浸透力为：代入上式，得浸透力为：即即 jL=w (h1+Lh2)结论：结论： 浸透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力；浸透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； 是一种体积力是一种体积力 浸透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方浸透力的大小与水力坡降成正比，方向与

12、渗流方向一致。向一致。临界水力坡降：临界水力坡降： 浸透力浸透力j与有效重度大小相等，方向相反时，土颗粒之间的压力为零，即：与有效重度大小相等，方向相反时，土颗粒之间的压力为零，即：j=wi=satw 调查图调查图3-11(b)中一土单元：中一土单元：a向下渗流向下渗流 b向上渗流向上渗流图图3-11 渗流方向对土颗粒作用力的影响渗流方向对土颗粒作用力的影响于是可定义于是可定义crwi“工程中常用工程中常用icr来评价土体能否发生浸透破坏。来评价土体能否发生浸透破坏。当当 j=j=w i =w i = 时，时， 土颗粒之间的压土颗粒之间的压力为零。力为零。3.3.2 土的浸透变形和防治措施流土景象:当土颗粒间的接触压力为零，土颗粒处于悬浮形状而失去稳定。 向上渗流向上渗流 土 颗 粒 接 触 点 悬 浮 状 态 管涌景象:土中的一些细小颗粒在浸透力作用下，经过粗颗粒的孔隙被水流带走。图3-12 流土表示图比较和区别:流砂景象发生在土体外表渗流逸出处,不发生于土体内部管涌可以发生在渗流逸出处，也能够发生在土体内部 例例3-43-4：34