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1、土中水的运动规律,第二章,土力学与基础工程电子教案,主讲：孔德成,学习目标与要求 （1）掌握达西定律及其适用条件、渗透系数K的物理意义;理解各种土体中的4渗透规律；了解渗透流速与实际流速的关系。 （2）掌握渗透试验方法和适用条件；理解渗透系数的影响因素及各种土体K的取值范围；了解成层土的渗透系数的计算。 （3）掌握渗透力的概念和计算，渗透变形的基本形式及产生条件；理解渗透变形的判别方法及其防治措施；了解孔隙水应力与有效应力的概念。,2 土中水的运动规律,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等流体透过的性质,渗透特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,概述,强度特性 变形
2、特性,强度特性 变形特性,2 土中水的运动规律,概述,土石坝坝基坝身渗流,2 土中水的运动规律,概述,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,2 土中水的运动规律,概述,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,2 土中水的运动规律,概述,渠道渗流,2 土中水的运动规律,概述,渗流滑坡,渗流滑坡,2.1 土的毛细性,第二章 土中水的运动规律,2.3 渗透力与渗透变形,2.2 达西定律,一、土层中的毛细水带,土层中由毛细水所湿润的范围称为毛细水带。根据毛细水带的形成条件和分布状况，可分为三种，即正常毛细水带、毛细网状水带和毛细悬挂水带,二、毛细水压力,若毛细管内水柱上升到最大高度hmax，根
3、据平衡条件知道管壁与弯液面水分子间引力的合力S等于水的表面张力，若S与管壁间的夹角为，则作用在毛细水柱上的上举力P为P=S2rcos=2rcos,毛细管内上升水柱的重力G为： G=r2hmax,碎石类土，无毛细作用；砂性土，hmax=0.20.3m；粉性土，hmax=0.91.5m；而粘性土的hmax不及粉性土，上升速度也较慢。对于粉砂、粉土和粉质粘土等，毛细现象较显著，毛细水上升高度大，上升速度快。,估算毛细水上升高度的经验公式,C系数,与土粒形状和表面洁净情况 e孔隙比 d10有效粒径,2 土中水的运动规律,一达西定律的表达式与适用条件,A,B,L,2.2达西定律,h1,h2,zA,zB,
4、h,0,0,基准面,水力坡降线,总水头单位质量水体所具有的能量,A点总水头：,B点总水头：,水力坡降：,一达西定律的表达式与适用条件,UA=UB=空气大气压,渗透定律（达西定律）,一达西定律的表达式与适用条件,砾石类土中的渗流不符合达西定律，属于紊流范畴，采用经验公式，不做介绍。,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,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,粘性土： 致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 ) 首先要克服 颗粒间的粘滞阻力,砂土,粘性土,二. 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,2.2 达西定律,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽
5、水试验,2.2渗透系数的测定,室内试验方法1常水头试验法,二. 测定方法,结果整理,试验装置：如图,试验条件: h，A，L=const,量测变量: Q，t,i=h/L,V=Q/t,v=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,整个过程中土样中水头压力不变。实验开始后，水自上而下流经土样，在渗流稳定后，测得时间t内流经土样的流量Q，同时读的两水面的水头差。,二. 测定方法,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,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,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,一. 测定方法,室内试验方法2变水头试验法,理论依据:,t时刻： h
6、,t,dh,dQe= - adh,dQo=kiAdt=k (h/L)Adt,dQe=dQo,流入量：,流出量：,连续性条件：,-adh =k (h/L)Adt,常水头试验,变水头试验,条件,h=const,h变化,算式,室内试验方法,二.测定方法,适用,粗粒土,粘性土,野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,二. 渗透系数的测定,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观测,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：布置一水井和若干观测井。在时间t内抽出Q的流量，同时测得ri和r2观测井的水
7、头,一般采用规范参考值,三.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,土力学,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,三.层状地基的等效渗透系数,粒径大小及级配 孔隙比（密实度） 矿物成分 结构,四. 渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数 饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡,第二章 土中水的运动规律,2.1 土的毛细性,2.3 渗透力与渗透变形,2.2 达西定律,渗透力的计算分三种情况 1.不饱和土中渗透力 2.饱和土中渗透力 3.过饱和土中渗透力计算,一. 渗透力,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗
8、透水流的拖曳力，它是体积力,j = wi（不饱和土）,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,P2浮力,W,P1重力,j渗透力,静水中的土体,A=1,R = L,渗流中的土体,一、 渗透力,渗透力=重力-浮力+颗粒间阻力（饱和土） 当渗透力过大时，土中的小颗粒就会处于悬浮状态而失去稳定(颗粒间阻力为0)，形成流砂或流土现象（过饱和土）,渗流有向上渗流和向下渗流两种，自然界中的渗流绝大部分是向上渗流。,1. 基本类型,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,渗流,原因：,此时的i称为临界梯度，用 表示,1. 基本类型,管涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形成大于
9、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,管涌破坏,1. 基本类型,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,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,2.形成条件,Fs: 安全系数1.52.0, 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,流土,经验判断：,3. 防治措施,增大i：下游增加透水盖重,防治流土,减小i ：上游延长渗径； 下游减小水压,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,