土力学渗透与渗流

土力学渗透与渗流第一页，共四十五页，2022年，8月28日§2.1土的渗透性与渗透规律第二章

土的渗透性和渗流问题

§2.2平面渗流与流网§2.3渗透力与渗透变形第二页，共四十五页，2022年，8月28日碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流渗透性土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述能量差水、气等在土体孔隙中流动的现象第三页，共四十五页，2022年，8月28日渗流量渗透变形石坝浸润线透水层不透水层石坝坝基坝身渗流第四页，共四十五页，2022年，8月28日渗透压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流第五页，共四十五页，2022年，8月28日渗流量渗透变形渗透压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形水头梯度土坡稳定分析第六页，共四十五页，2022年，8月28日§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能量方程渗流速度的规律渗透特性四．层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数第七页，共四十五页，2022年，8月28日一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑第八页，共四十五页，2022年，8月28日ABLh1h2zAzBΔh00基准面z：位置水头A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：第九页，共四十五页，2022年，8月28日二、渗透试验与达西定律试验前提：层流断面平均流速水力坡降1.渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:

h1，A，L=const量测变量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T第十页，共四十五页，2022年，8月28日2.达西定律渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。注意：V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>AvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day第十一页，共四十五页，2022年，8月28日粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=适用条件ivovcrivi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)第十二页，共四十五页，2022年，8月28日三、渗透系数的测定及影响因素室内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1.测定方法野外试验测定方法第十三页，共四十五页，2022年，8月28日室内试验方法1—常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土第十四页，共四十五页，2022年，8月28日室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:

Δh变化，A，L=const量测变量:

Δh

，t对于透水性较小的粘性土，应采用变水头试验法第十五页，共四十五页，2022年，8月28日结果整理:理论依据:t时刻：

ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组Δh1,

Δh2,t，计算相应的k，取平均值第十六页，共四十五页，2022年，8月28日常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土第十七页，共四十五页，2022年，8月28日2.影响因素土粒特性流体特性粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构和构造水的动力粘滞系数（水温）饱和度（含气量）

—对k影响很大，封闭气泡第十八页，共四十五页，2022年，8月28日四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状第十九页，共四十五页，2022年，8月28日H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi第二十页，共四十五页，2022年，8月28日H1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流v承压水条件:等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日§2.2平面渗流与流网Laplace方程一、平面渗流的基本方程及求解连续性条件假定：Δh对于稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽：

dy=1与时间无关达西定律平面渗流的基本方程

1.基本方程第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日连续性条件达西定律假定Laplace方程第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日①与kx,kz无关②满足它的是两个共轭调合函数——势函数和流函数特点描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日2.求解方法基本方程边界条件解析方法适用于边界条件简单的情况通解：两个共轭调和函数势函数Φ(x,z)流函数Ψ(x,z)等势线流线边界条件特定解第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日二、流网的绘制及应用

流网——渗流场中的两族相互正交曲线——等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线——水质点运动的轨迹线。等势线——测管水头相同的点之连线。流网法——通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交H△h0lsls2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日ABCDlsH△h00ls绘制方法根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图初步绘制流网第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日流网特点与上下游水位变化无关Δh=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。第三十页，共四十五页，2022年，8月28日总水头差

△

h实际应用确定流速确定流量水力坡降第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日§2.3渗透力与渗透变形

一、渗透力（动水力）试验观察Δh>0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力j

——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透变形渗透力Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L土水整体分析第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L－γwΔh渗流中的土体第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日静水中的土体R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi---体积力第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日R=γ’L－γwΔh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i=Δh/L=γ’

/γwicr=

γ’/γwγ’L－γwΔh=0第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j=γwi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日利用流网求渗透力复杂条件总渗透力大小：jx网格面积

方向：与流线一致作用点：形心

流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同H△h0lsls第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日基本类型二、渗透变形（渗透破坏）

流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件防治措施第四十页，共四十五页，2022年，8月28日1.流土

在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日形成条件Fs:

安全系数1.5～2.0[i]:

允许坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态经验判断：第四十二页，共四十五页，2022年，8月28日管涌2.管涌原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因——渗透力足够大

在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌破坏第四十三页，共四十五页，2022年，8月28日流土与管涌的比较

流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够