土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 - 副本.ppt

1、1,第二章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,概述 土的滲透性 二維滲流及流網(wǎng) 土的毛細(xì)性及土的凍脹,主要內(nèi)容,本章重點(diǎn)：滲透定律、滲透系數(shù)、動(dòng)水力及流砂現(xiàn)象,2,2.1 土的滲透問題概述,土壩蓄水后水透過壩身流向下游,滲透自由水在水位差作用下，發(fā)生從土內(nèi)孔隙中透過的現(xiàn)象,3,研究滲流主要解決兩類問題,滲流量計(jì)算問題：深基坑開挖排水問題,滲流穩(wěn)定與滲流控制問題：產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞，如道路邊坡破壞、堤壩失穩(wěn)、地面隆起等,4,2.2 土的滲透性,一、達(dá)西定律,1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究,結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比,滲透試驗(yàn)播放,達(dá)西定律 V=Kh/L=Ki,K滲

2、透系數(shù)，cm/s i水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失,5,討論：1）公式適用于層流情況，一般適用于中、細(xì)、粉砂土； 2）在粘土中應(yīng)按修正后的達(dá)西定律考慮起始水頭梯高 io計(jì)算。 V=K（i-io）。,密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系,起始水力坡降,6,二 滲透系數(shù)及其確定方法,時(shí)間t內(nèi)流出的水量,1.常水頭試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)過程中水頭保持不變，適用于透水性大砂土（k10-3cm/s）。,:,測定滲透系數(shù)方法,試驗(yàn)室測定:常水頭試驗(yàn) 變水頭試驗(yàn) 現(xiàn)場抽水試驗(yàn),7,2變水頭滲透試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化 適用于適用于

3、透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土。,8,截面 面積a,任一時(shí)刻t的水頭差為h，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量,dQ=adh,在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量,dQ=kiAdt=kAdth/L,管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量,adh=kAh/Ldt,分離變量 積分得,9,3現(xiàn)場抽水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)不易取得原狀土樣，或者土樣不能反映天然土層的層次或土顆粒排列情況時(shí),圖2-6 現(xiàn)場抽水試驗(yàn),非承壓完整井,還有其它幾種形式？,10,水平向滲流時(shí)Kh I=I1 = I2 q=q1+q2 F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2 Kh =Kihi/hi 受滲透系數(shù)最大的土層控制,豎直向滲

4、流時(shí) KV q =q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 KV=Kihi/(hi/KI) 受滲透系數(shù)最小的土層控制,4成層土的滲透系數(shù),11,（1）土的礦物成分：蒙脫石含量，或有機(jī)質(zhì)，則K （2）粒度成分：粗，渾圓均勻則K （3）結(jié)合水膜厚度,K；厚度，K （4）土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造：黃土KVKn，夾砂粘土KVKn （5）水的沾滯度t：溫度T，Rt應(yīng)進(jìn)行修正，以10水 為標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)值K20: K20=kTT/20,5 影響滲透性的因素,T、20分別為T和20時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表,（6）土中氣體：含密閉氣泡，K,12,【例】 設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲

5、透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30，試求試樣的滲透系數(shù),【解答】,已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積,h1=160cm，h2=52cm，t=900s,試樣在30時(shí)的滲透系數(shù),13,三 滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象,1.滲流力GD水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱為滲流力，也稱動(dòng)水力,水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h,土粒對水流的阻力應(yīng)為,水柱隔離體平衡條件,水柱重力,土顆粒對水總的阻力,滲透力是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一

6、致，單位為kN/m3 （矢量）,14,2.流砂、管涌與臨界水頭梯度 流砂當(dāng)向上的GD與土的浮重度相等時(shí)，即GD=I= =sat-，這時(shí)土顆間的壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，該現(xiàn)象稱為流砂。,臨界水力坡降(梯度)土在水下的浮重度G為，當(dāng)向上的滲流力GD與土的浮重度相等時(shí)，其水力坡降即為臨界水力坡降,15,管涌,水在砂性土中滲流時(shí)，土中的一些細(xì)小顆粒在動(dòng)水作用下，可能通過粗顆粒的孔隙被水帶走的現(xiàn)象。,討論：1 流砂發(fā)生在土體表面滲流逸出處，不發(fā)生在土體內(nèi)部，而管涌兩者都可能發(fā)生。 2 流砂主要發(fā)生于細(xì)、粉砂及粉質(zhì)粘土中，而在粗顆粒土及粘土中不易發(fā)生。 3 管涌的臨界水頭梯度與土的顆粒

7、大小及其級配情況有關(guān)。不均勻系數(shù) Cu，則Icr，圖2-10,16,【解】發(fā)生流砂的條件為 臨界水頭梯度 因維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入坑底4m，故 水滲流路徑長: 兩側(cè)水頭差為 故承壓水位上升后的高度m,【例2-1】某基坑開挖深8m（見圖2-11），地基中存在粉土層，其飽和重度為20kN/m3，在一場爆雨后，坑底發(fā)生了向上涌砂的流砂現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)粉土層中存在承壓水，試估算這時(shí)承壓水頭為多高？,17,流砂現(xiàn)象的防治原則是： 減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點(diǎn)降水法降低地下水位或水下挖掘；,18,在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；,土層處理，減小土的滲透系數(shù)，如凍結(jié)法、注漿法等,19,23

8、 二維滲流及流網(wǎng),一、二維滲流方程及流網(wǎng)的特征 1 二維滲流方程,流網(wǎng)是由一組流線和一組等勢線互相正交組成的網(wǎng)格。 在穩(wěn)定滲流場中，流線表示水質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)路線，流線上任一點(diǎn)的切線方向就是流速矢量的方向。等勢線是滲流場中勢能或水頭的等值線。,流線,等勢線,20,2流網(wǎng)的特征,1)流線與等勢線互相正交。 2)流線與等勢線構(gòu)成的各個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)。當(dāng)長寬比為1時(shí)，網(wǎng)格為曲邊正方形。 3)相鄰等勢線之間的水頭損失相等。 4)各個(gè)流槽（即各相鄰兩流線間）的滲流量相等。,流網(wǎng)中等勢線越密的部位、水力梯度越大，流線越密的部位流速越大。,h,21,二 流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用,按一定比例繪出結(jié)構(gòu)物和土層的剖面圖。,

9、1流網(wǎng)的繪制,判定邊界條件，圖中aa和bb為等勢線邊界(透水面)；acb、ss為流線邊界（不透水面）。 先試?yán)L若干條流線(應(yīng)相互平行，不交叉且是緩和曲線)；流線應(yīng)與進(jìn)水面（aa）、出水面(bb)正交，并與不透水面(流線ss)不交叉。 加繪等勢線。須與流線正交，且每個(gè)滲流區(qū)的形狀接近“方塊”。,h,22,2流網(wǎng)應(yīng)用,1)相鄰等勢線間的水頭損失hi。 2)各網(wǎng)格水力梯度ii,各網(wǎng)格的滲透速度vi為,3）單位滲流量q,總滲流量為,4)任意點(diǎn)的孔隙水壓力ui,等勢線的間隔數(shù),等勢線寬,h,流槽數(shù),23,一 土層中的毛細(xì)水 土中水的運(yùn)動(dòng)形式：5種 土的毛細(xì)現(xiàn)象指土中水在表面張力作用下，沿著孔隙向 上及其他方向移動(dòng)的現(xiàn)象。 毛細(xì)現(xiàn)象對工程危害,24 土的毛細(xì)性及土的凍脹,二