第3章 土的渗透性-1-0

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1、主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 13951933835河海大学河海大学2345达西渗透定律渗透系数的测定 二向渗流和流网的特征 渗流力及渗透稳定性 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力 参考书目： 1、高大钊，土力学与地基基础，建筑工业出版社 2、陈国兴等，土质学与土力学，中国水利水电出版社 6一、基本定义1、渗透与土的渗透性、渗透与土的渗透性 土具有孔隙，在水位差作用下，水会通过土体孔隙而发生孔隙内的流动，这种现象称为渗透 土体被水透过的性能称为土的渗透性7 土力学中与渗透有关的几个重要内容 土体固结的速度（第四章） 边坡、挡土墙、堤坝的抗滑稳定性（第七章）

2、渗透可能带来的问题 水的问题：蓄水损失、污染水 土的问题：改变土体的应力状态或引起其强度的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 139519338358渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 139519338359渗水压力渗水压力扬压力扬压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流10

3、 水头指单位重量的液体所具有的机械能，包括位置水头、压强水头、流速水头，三者之和为总水头。静水条件下，尽管静水条件下，尽管不同高度的水压力不同高度的水压力不同，但是水是没不同，但是水是没有流动的有流动的 2、水头与总水头、水头与总水头11 总水头：2( )( )( )2wwuPvh Pz Pg12 计算总水头几个例子( )4wwuP( )1z P ( )( )( )wwuPh Pz P( )5h P ( )wwux( )4z x ( )5h x 无流动无流动基准面基准面13( )4wwuP( )4z P ( )( )( )wwuPh Pz P( )0h P ( )wwux( )1z x ( )

4、0h x 无流动无流动基准面基准面14是总水头差引起流是总水头差引起流动，而不是压力差动，而不是压力差15二、达西定律1、达西定律定义、达西定律定义 达西认为流动速度 与水头差Dh成正比 与渗径长度DL长反比kiLhkvqvAkiA渗透系数渗透系数162、不同土类渗透速度与水力梯度的关系、不同土类渗透速度与水力梯度的关系 砂土：线性变化砂土：线性变化 密实粘土：非线性变化密实粘土：非线性变化 粗粒土（砾、卵石等）：非线性变化粗粒土（砾、卵石等）：非线性变化1、熟练掌握空间和平面条件下地基附加应力计算，会查表；、熟练掌握空间和平面条件下地基附加应力计算，会查表；2、了解土坝自重应力和坝基附加应力

5、计算；、了解土坝自重应力和坝基附加应力计算；3、明确渗透与渗透性、水头与总水头的概念；、明确渗透与渗透性、水头与总水头的概念；4、掌握达西定律。、掌握达西定律。17/26主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 13951933835河海大学河海大学1、空间和平面条件下地基附加应力计算，会查表；、空间和平面条件下地基附加应力计算，会查表；2、渗透与渗透性、水头与总水头的概念；、渗透与渗透性、水头与总水头的概念；3、达西定律不同土类渗透速度与水力梯度的关系。、达西定律不同土类渗透速度与水力梯度的关系。19/2620 达西定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻

6、力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。 达西认为流动速度与 与水头差Dh成正比 与渗径长度DL长反比kiLhkvqvAkiA渗透系数渗透系数m3/s 21 （1）采用了单位时间内通过单位面积的流量 （2）采用了以试样长度计的平均水力梯度 求出的渗透速度是一种假想的平均流速kiLhkv假定水在土中假定水在土中的渗透是通过的渗透是通过整个土体截面整个土体截面来进行的来进行的渗透水仅仅通过土体中渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动的孔隙流动实际平均流速要比假想实际平均流速要比假想的平均流速大很多的平均流速大很多3、基本假定、基本假定22eevnvv14、达西假想流速与实际流速的关系、达西假想流速

7、与实际流速的关系235、达西渗透定律的适用条件、达西渗透定律的适用条件 达西定律的适用界限： 当水温10C时=0.0131g/scm，考虑一般流速v =0.25cm/s，符合达西定律的土体平均粒径 : 只有渗流为层流时适用，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。Re rwvd/h1.0mmvd52.0Re/rh24渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。 渗透系数的室内测定方法（一）常水头法（一）常水头法 适用于透水性强的无粘性土 水头差保持不变VqtV LkA h thqvAkAL主讲人: 李 平; QQ

8、: 718734310; 电话: 1395193383525基基马马式式渗渗透透仪仪26（一）变水头法（一）变水头法 适用于透水性弱的粘性土测量水量很难 水头是随着时间而变化的2112ln)(hhttAaLk2112lg)(3 . 2hhttAaLk主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383527南南55渗透仪渗透仪28（三）渗透系数的影响因素（三）渗透系数的影响因素A、土粒大小和级配 对于粒径0.13.0 mm有：k=c1d102B、孔隙比 C、水的动力粘滞系数D、土中封闭气体含量hrweesck1322229 成层土的渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同

9、的土层所组成 渗流与层面平行niixnxxxxqqqqq12111nxiiikk HHxxqk iHixiiqk iH每层的水头损失一样每层的水头损失一样30 渗流与层面垂直nyyyyqqqq21每层流量一样每层流量一样yyhqkHHiiyii iihqkAk i AHD1niiihi H12112()ynniiniHHkHHHHkkkk31 现场测定渗透系数 注水试验 抽水试验32 稳定渗流场的拉普拉斯方程 如果土是各向同性的k x等于ky，则 稳定 指不随时间变化02222yhxh拉普拉斯（拉普拉斯（Laplace）方程）方程33 流网及其特征 等势线：在任一条等势线上各点的总水头是相等的

10、； 流线：代表渗流的方向 流网：等势线和流线交织在一起形成的网格 下列特征： 流线与等势线彼此正交； 每个网格的长宽比为常数； 相邻等势线间的水头损失相等； 各流槽的渗流量相等。主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383534主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383535主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 139519338353637 渗流力的概念水在土中流动水在土中流动能量消耗能量消耗力图拖曳土粒力图拖曳土粒水头损失水头损失渗透水流施于单位土体内土渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为粒上的拖

11、曳力称为渗流力渗流力渗透力、动水压力渗透力、动水压力38 验证渗流力的试验当容器当容器B提升到一定高度，容提升到一定高度，容器器A与容器与容器B内水位差达到一内水位差达到一定值时，可以看到砂面出现沸定值时，可以看到砂面出现沸腾那样的景象，这种现象称为腾那样的景象，这种现象称为流土或浮冲、砂沸流土或浮冲、砂沸。渗流力的大小渗流力的大小与水力梯度成与水力梯度成正比正比其作用方向其作用方向与渗流（或流向）与渗流（或流向）方向一致方向一致是一种是一种体积力体积力ijw主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383539h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a

12、bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体渗透力渗透力土水整体分析土水整体分析主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383540h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部

13、分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh渗透力渗透力j = J/V = wh/L = wij = wi一一. . 渗透力渗透力土水整体分析土水整体分析主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383541h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = /w L wh = 0e1

14、)1G(ws e11Giscr 一一. . 渗透力渗透力土水整体分析土水整体分析主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383542P2WP1Rh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件水体的平衡条件j = wiwhw+ wL + j L= wh1WJWwJ=R+P2P1P1 = = whwP2 = = wh1Ww= Vvw+ Vsw= LwiLhL)Lhh(jwww1w D D 土水隔离分析土水隔离分析一一. . 渗透力渗透力主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 139519338

15、3543孔隙水为脱离体孔隙水为脱离体（1）abVVVWwwswwww（2）bhhUw)-(211（3）20wUh a（4）土粒对水流的总阻力）土粒对水流的总阻力Fs3-5 渗透力及渗透稳定性渗透力及渗透稳定性-3主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383544渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。致，是一种体积力。沿水流方向力的平衡沿水流方向力的平衡0sin1swFWUsin)(21abbhhFwws因为因为hbFwsDahhh12sinDiahabFfw

16、wssD3-5 渗透力及渗透稳定性渗透力及渗透稳定性-4主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383545渗流问题，两种力的组合：渗流问题，两种力的组合：（1）土粒为考察对象；）土粒为考察对象；J，W；（2）土体为考察对象；）土体为考察对象；W, U3-5 渗透力及渗透稳定性渗透力及渗透稳定性-546主讲人: 李 平; QQ: 718734310; 电话: 1395193383547思考？！思考？！1、整个码头结构变形是由哪些原因引起的？、整个码头结构变形是由哪些原因引起的？2、应该采取何种方案来纠正？、应该采取何种方案来纠正？1、掌握渗透系数的测定方法及其影响因素；、掌握渗透系数的测定方法及其影响因素；2、明确二向渗流及流网的特征；、明确二向渗流及流网的特征；3、熟练掌握渗流力的计算分析。、熟练掌握渗流力的计算分析。48/26