第二章 土的滲透性

1、第第2章章 土的滲透性土的滲透性2022-3-26 概概 述述主要內(nèi)容：土的滲透性和滲透規(guī)律主要內(nèi)容：土的滲透性和滲透規(guī)律研究對象：飽和土體研究對象：飽和土體“土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運動著的土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運動著的” 土的滲透性問題土的滲透性問題 土的固結(jié)問題土的固結(jié)問題 土的毛細現(xiàn)象土的毛細現(xiàn)象 凍結(jié)時水分移動凍結(jié)時水分移動土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流n 土是一種碎散的多孔介質(zhì)，土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當其孔隙在空間互相連通。當飽和土中的兩點存在能量差飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能時，水就在土的孔隙中從能量高的點向

2、能量低的點流動量高的點向能量低的點流動F 水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流滲流F 土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性滲透性土體中的滲流土體中的滲流透水層透水層不透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流防滲體防滲體壩體壩體浸潤線浸潤線滲流問題：滲流問題：1. 滲流量？滲流量？2. 滲透破壞？滲透破壞？3. 滲透力？滲透力？工程實例工程實例板樁圍護下的基坑滲流板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：滲流問題：1. 滲流量？滲流量？2. 滲透破壞？滲透破壞？3. 滲水壓力？滲水壓力？透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻工

3、程實例工程實例滲流問題：滲流問題：1. 滲流量滲流量Q？2. 降水深度？降水深度？透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q滲流問題：滲流問題：1. 滲流量？滲流量？2. 地下水影響地下水影響 范圍？范圍？渠道、河流滲流渠道、河流滲流原地下水位原地下水位滲流時地下水位滲流時地下水位降雨入滲引起的滑坡降雨入滲引起的滑坡滲流問題：滲流問題：1. 滲透力？滲透力？2. 入滲過程？入滲過程？事故實例事故實例 滲流量滲流量 揚壓力揚壓力 滲水壓力滲水壓力 滲透破壞滲透破壞 滲流速度滲流速度 滲水面位置滲水面位置擋水建筑物擋水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水結(jié)

4、構(gòu)物引水結(jié)構(gòu)物 基礎(chǔ)工程基礎(chǔ)工程地下工程地下工程邊坡工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性土的滲透特性土的滲透特性F水頭與水力坡降水頭與水力坡降F土的滲透試驗與土的滲透試驗與達西定律達西定律F滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定及影響因素及影響因素F層狀地基的等效層狀地基的等效滲透系數(shù)滲透系數(shù)滲流的驅(qū)動能量滲流的驅(qū)動能量反映滲流特點的定律反映滲流特點的定律土的滲透性土的滲透性地基的滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)土的滲透性和滲透定律土的滲透性和滲透定律n 位置水頭：位置水頭：到基準面的豎直距離，到基準面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準面算起代表單位重量的液體從基準面算起所具有的位置勢能所具有的位置勢能n 壓力

5、水頭：壓力水頭：水壓力所能引起的自由水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能具有的壓力勢能n 測管水頭：測管水頭：測管水面到基準面的垂測管水面到基準面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢能之和，表示單位重量液體的總勢能n 在靜止液體中各點的測管水頭相等在靜止液體中各點的測管水頭相等位置、壓力和測管水頭位置、壓力和測管水頭zA00ABu0pawAu zBwBu 基準面基準面靜水靜水滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻滲流為水體

6、的流動，應滿滲流為水體的流動，應滿足液體流動的三大基本方足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程程、動量方程ABLhAzAwAu 基準面基準面g2vuzh2w wuzh n 總水頭：總水頭：單位重量水體所具有的能量單位重量水體所具有的能量 位置水頭位置水頭Z Z：水體的位置勢能（任選基準面）：水體的位置勢能（任選基準面） 壓力水頭壓力水頭u/ w：水體的壓力勢能（：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）孔隙水壓力） 流速水頭流速水頭V2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流：水體的動能（對滲流多處于層流0）n 滲流的總水頭：滲流的總水頭：滲流問題的水頭滲流問題的

7、水頭也稱也稱測管水頭測管水頭，是滲流的，是滲流的總驅(qū)動能，滲流總是從水總驅(qū)動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處頭高處流向水頭低處wBBBuzh A A點總水頭：點總水頭：水力坡降水力坡降A(chǔ)BLhAhBzAwAu wBu zBh h基準面基準面水力坡降線水力坡降線wAAAuzh B B點總水頭：點總水頭： 二點總水頭差：反映了二點總水頭差：反映了兩點間水流由于摩阻力兩點間水流由于摩阻力造成的能量損失造成的能量損失BAhhh 水力坡降水力坡降 i：單位滲流長度上的水頭損失：單位滲流長度上的水頭損失Lhi LAh1h2QQ透水石1856 年達西年達西(Darcy)在研究城在研究城市供水問題時進行的滲

8、流試驗市供水問題時進行的滲流試驗LhAQ或：或：iAkQ 其中，其中，A是試樣的斷面積是試樣的斷面積達西滲透試驗達西滲透試驗ikAQv達西定律達西定律n 達西定律：達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)n 滲透系數(shù)滲透系數(shù)k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降水力坡降i1時的滲流速度，單位：時的滲流速度，單位： cm/s, m/s, m/dayn 滲透速度滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想土體試樣全斷面的平均

9、滲流速度，也稱假想滲流速度滲流速度nvvvs其中，其中，V Vs s為實際平均流速，孔隙斷面的平均流速為實際平均流速，孔隙斷面的平均流速達西定律的適用范圍達西定律的適用范圍n 適用條件：層流（線性流動）適用條件：層流（線性流動） 巖土工程中的絕大多數(shù)滲巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍粘土，均屬層流范圍 在粗粒土孔隙中，水流形在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律?？捎美字Z數(shù)進行西定律。可用雷諾數(shù)進行判斷判斷 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律達西定

10、律適用范圍適用范圍2.01.51.00.50水力坡降水力坡降流速流速 (m/h)礫石礫石粗砂粗砂中砂中砂細砂細砂極細砂極細砂h10dvReRe5時層流時層流Re 200時紊流時紊流200 Re 5時為過渡區(qū)時為過渡區(qū) 達西定律的適用范圍達西定律的適用范圍 在純礫以上的很粗的粗粒土如堆在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達石體中，在水力坡降較大時，達西定律不再適用，此時：西定律不再適用，此時：ivoi0n 兩種特例兩種特例 對致密的粘性土，存在起始水力對致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i i0 0 ？ivovcr)1m(kivm )(1mkivmii0, v=k (i - i

11、0 )滲透系數(shù)的測定方法滲透系數(shù)的測定方法 常水頭試驗法常水頭試驗法 變水頭試驗法變水頭試驗法 井孔抽水試驗井孔抽水試驗 井孔注水試驗井孔注水試驗F 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法F 野外試驗方法野外試驗方法n 試驗條件試驗條件: : h，A，L=constn 量測變量量測變量: 體積體積V，tn 適用土類：透水性較大的砂性土適用土類：透水性較大的砂性土i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk hL土樣土樣AVQ室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法- -常水頭試驗法常水頭試驗法室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法- -變水頭試驗法變水頭試驗法n 試驗條件試驗條件: :h變化變化 A，a，L=constn 量測變量量測

12、變量: h，tn 適用土類：透水性較小適用土類：透水性較小 的粘性土的粘性土土樣土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)a土樣土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)在在tt+dt時段內(nèi)：時段內(nèi)： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法- -變水頭試驗法變水頭試驗法21hhAtaLkln選擇幾組量測結(jié)果選擇幾組量測結(jié)果

13、，計算相應的，計算相應的k，取平均值，取平均值室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法小結(jié)小結(jié)常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定公式公式取值取值h=consth變化變化h，A，LV，t重復試驗后，取均值重復試驗后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土現(xiàn)場測定法抽水試驗現(xiàn)場測定法抽水試驗抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層n 試驗條件試驗條件: : Q=constn 量測變量量測變量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)優(yōu)點：

14、可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù) 缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長觀察井觀察井212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2 rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQn 計算公式：計算公式：r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層dhdrh地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面現(xiàn)場測定法抽水試驗現(xiàn)場測定法抽水試驗2022-3-26n 是土中孔隙直徑大小的主要影是土中孔隙直徑大小的主要影響因素響因素n 因由粗顆粒形成的大孔隙可被因由粗顆粒形成的大孔隙可被細顆粒充填，故土體孔隙的大細顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細顆粒所

15、控制。因此，小一般由細顆粒所控制。因此，土的滲透系數(shù)常用有效粒徑土的滲透系數(shù)常用有效粒徑d10來表示，如哈臣公式：來表示，如哈臣公式：210dck 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素 n 是單位土體中孔隙體積的直接是單位土體中孔隙體積的直接度量度量n 對于砂性土，常建立孔隙比對于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數(shù)與滲透系數(shù)k之間的關(guān)系，如：之間的關(guān)系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322滲透系數(shù)的影響因素 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦

16、物成分 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 對粘性土，影響顆粒的表面力對粘性土，影響顆粒的表面力n 不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高極大，其滲透性大小的次序為高嶺石嶺石伊里石伊里石蒙脫石蒙脫石 ；當粘土；當粘土中含有可交換的鈉離子越多時，中含有可交換的鈉離子越多時，其滲透性將越低其滲透性將越低n 塑性指數(shù)塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)參數(shù)滲透系數(shù)的影響因素 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n 影響孔隙系統(tǒng)的構(gòu)成和方向

17、性，影響孔隙系統(tǒng)的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大對粘性土影響更大n 在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n 在微觀結(jié)構(gòu)上，當孔隙比相同在微觀結(jié)構(gòu)上，當孔隙比相同時，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具時，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性有更大的透水性滲透系數(shù)的影響因素 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素 n 水的動力粘滯系數(shù)：水的動力粘滯系數(shù)： 溫度溫度 ，水粘滯性，水粘滯性 ，k n 飽和

18、度（含氣量）：封閉氣飽和度（含氣量）：封閉氣泡對泡對k影響很大，可減少有效影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù) 確立各層土的確立各層土的ki 根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀多個土層用假想單一土層置換，多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變使得其總體的透水性不變hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x

19、1122不透水層不透水層等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : iixHkH1kkxn 已知條件已知條件: :LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 達西定律達西定律: :n 等效條件等效條件: :層狀地基的水平等效滲透系數(shù)層狀地基的水平等效滲透系數(shù)層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)層狀地基的垂直等效滲透系數(shù) iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水承壓水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh iiiizkHvhhkvHn 已知條件已知條件: :n 達西定律達西定律: :n 等效條件等效條件: :v = kz

20、 (h / H )等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :n 算例說明算例說明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)H1H2H3Hk1k2k3xz層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)水平滲流情形水平滲流情形垂直滲流情形垂直滲流情形條件條件已知已知等效等效公式公式LhiiHHqqiii;.;,121kHHiHkq

21、xiixHkH1kii21HHhhvvv;.,.;,2121kkHHHhkikvzziizkHHkn平面問題：平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。對平面問題，常取對平面問題，常取dy=1m單位單位寬度的一片來進行分析寬度的一片來進行分析h=h(x,z), v=v(x,z)與時間無關(guān)與時間無關(guān)n 穩(wěn)定滲流：穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流流場不隨時間發(fā)生變化的滲流平面穩(wěn)定滲流平面穩(wěn)定滲流h滲流的連續(xù)性方程滲流的連續(xù)性方程 單位時間流

22、入單元的水量單位時間流入單元的水量: :滲流的連續(xù)性方程：滲流的連續(xù)性方程：0zvxvzxdxvdzvdqzxedxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo)()( 單位時間內(nèi)流出單元的水量單位時間內(nèi)流出單元的水量: :oedqdq 連續(xù)性條件連續(xù)性條件: :dxdzvxdxxvvxxvzdzzvvzzxz滲流的運動方程滲流的運動方程zhkvxhkvzzxx; 達西定律：達西定律：0zhkxhk22z22x 滲流的連續(xù)性方程：滲流的連續(xù)性方程：0zvxvzx滲流的運動方程：滲流的運動方程：F特例：各向同性均質(zhì)土體特例：各向同性均質(zhì)土體 k kx x=k=kz z0zhxh2222LaplaceL

23、aplace方程，描述滲流場方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程定滲流的基本方程H1H212314水頭邊界條件水頭邊界條件 在邊界在邊界 1 1上給定水頭上給定水頭12流速邊界條件流速邊界條件 在邊界在邊界 2 2上給定法向流速上給定法向流速43滲出面滲出面 在邊界在邊界 3 3上上H=zH=z，v vn n00自由水面自由水面* * 在邊界在邊界 4 4上上H=zH=z，v vn n=0=0滲流的邊界條件滲流的邊界條件平面穩(wěn)定滲流問題描述平面穩(wěn)定滲流問題描述n 運動方程：運動方程：n 邊界條件：邊界條件：水頭邊界條件水頭邊界條件 在邊界在邊界 1 1上

24、給定水頭上給定水頭12流速邊界條件流速邊界條件 在邊界在邊界 2 2上給定法向流速上給定法向流速43滲出面滲出面 在邊界在邊界 3 3上上h=zh=z，v vn n00自由水面自由水面* * 在邊界在邊界 4 4上上h=zh=z，v vn n=0=00zhkxhk22z22x0zhxh2222或：或：F數(shù)學解析法或近似解析法：數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解條件下，求其近似解F數(shù)值解法：數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地發(fā)

25、展近年來得到迅速地發(fā)展F電比擬試驗法：電比擬試驗法：利用電場來模擬滲流場，簡便、利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題直觀，可以用于二維問題和三維問題F流網(wǎng)法：流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題較復雜斷面的滲流問題滲流分析的方法滲流分析的方法n 流速勢或勢函數(shù)：流速勢或勢函數(shù)：)zu(khkw gradvzv,xvzx則有：則有：滿足達西定律的滲流問題是一個勢流問題滿足達西定律的滲流問題是一個勢流問題勢勢 函函 數(shù)數(shù)n 勢函數(shù)的特性：勢函數(shù)的特性： 等勢面是等水頭面等勢面是等水頭面 兩條等勢面的勢值差同其水頭差成正

26、比兩條等勢面的勢值差同其水頭差成正比n 定義：流線是流場中的曲線，在這條曲線上所有各定義：流線是流場中的曲線，在這條曲線上所有各質(zhì)點的流速矢量都和該曲線相切質(zhì)點的流速矢量都和該曲線相切n 性質(zhì)一：性質(zhì)一：流線互不相交，流線互不相交，在同一條流線上，流函數(shù)在同一條流線上，流函數(shù)的值為一常數(shù)的值為一常數(shù)n 性質(zhì)二：兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量性質(zhì)二：兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量流函數(shù)流函數(shù)0zx2222 1 1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程2 2）勢函數(shù)和流函數(shù)正交，一點兩線的斜率互成負倒數(shù)）勢函數(shù)和流函數(shù)正交，一點兩線的斜率互成負倒數(shù)3

27、3）勢函數(shù)和流函數(shù)是互為共軛的調(diào)和函數(shù)，兩者均完備）勢函數(shù)和流函數(shù)是互為共軛的調(diào)和函數(shù)，兩者均完備 地描述了同一個滲流場地描述了同一個滲流場4 4）當對調(diào)邊界條件時，勢函數(shù)和流函數(shù)兩組曲線可互換）當對調(diào)邊界條件時，勢函數(shù)和流函數(shù)兩組曲線可互換勢函數(shù)與流函數(shù)勢函數(shù)與流函數(shù)xzvzxvzx 0zx2222 流網(wǎng)及其特性流網(wǎng)及其特性F流線和等勢線正交流線和等勢線正交F流網(wǎng)中應使相鄰流線間的流流網(wǎng)中應使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢線間的勢函數(shù)差和相鄰等勢線間的勢函數(shù)（水頭）差不變函數(shù)（水頭）差不變F流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)，通常取為常數(shù)，通常取為1 1n 在流場中，流線和

28、等勢線（等在流場中，流線和等勢線（等水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)+d +dvsl流網(wǎng)的畫法流網(wǎng)的畫法1 1）確定邊界條件：邊界流）確定邊界條件：邊界流線和首尾等勢線線和首尾等勢線2 2）研究水流的方向：流線）研究水流的方向：流線的走向的走向3 3）判斷網(wǎng)格的疏密大致分）判斷網(wǎng)格的疏密大致分布布4 4）初步繪制流網(wǎng)的雛形：）初步繪制流網(wǎng)的雛形：正交性、曲邊正方形正交性、曲邊正方形5 5）反復修改和檢查）反復修改和檢查 H=H1-H20H1H2不透水層不透水層要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習lsabc defgh H=H1

29、-H20H1H2不透水層不透水層f流網(wǎng)的應用流網(wǎng)的應用n 測管水頭測管水頭 hlhi/wzhh ）（ikvhkslhkqiin 確定孔壓確定孔壓n 確定流速確定流速n 確定流量確定流量n 水力坡降水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqqhkMqMq流道數(shù)流道數(shù) 滲流力及滲透穩(wěn)定性滲流力及滲透穩(wěn)定性滲透力滲透力- -試驗觀察試驗觀察n h=0 h=0 靜水中，土骨靜水中，土骨架會受到浮力作用。架會受到浮力作用。n h0 h0 水在流動時，水在流動時，水流受到來自土骨架的水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。

30、h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b滲透力滲透力j：滲透作用中，孔隙水對土骨架：滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致的作用力，方向與滲流方向一致滲透力滲透力- -試驗觀察試驗觀察h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b土粒土粒滲滲 流流滲透力滲透力 j j：體積力：體積力滲透力滲透力j j：單位土體內(nèi)土骨架：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力所受到的滲透水流的拖曳力截面積截面積A=1h200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器ab滲透力滲透力- -受力分析受力分析WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?

31、R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整體受力分析土水整體受力分析- -靜水靜水滲透力滲透力- -受力分析受力分析截面積截面積A=1WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w hn 土水整體受力分析土水整體受力分析- -滲流滲流h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b滲透力滲透力- -受力分析受力分析R = L - w hn 土水整體受力分析土水整體受力分析- 對比對比h1hh200hwL土

32、樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b 靜水中的土體靜水中的土體 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時，濾向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少網(wǎng)支持力減少R = L 減少的部分由誰承擔？減少的部分由誰承擔？總滲透力：總滲透力： J= J= w w h hF 滲透力滲透力j j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力j = J/V = w h /L = wi向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少。力減少。當濾網(wǎng)支持力為零當濾網(wǎng)支持力為零時的水力坡降稱為時的水力坡降稱為臨界水力臨界水力坡降坡降icr，它是土體開始發(fā)生，它是土體開始發(fā)生流土破壞時的水力

33、坡降：流土破壞時的水力坡降：滲透力滲透力- -受力分析受力分析滲透力滲透力- -受力分析受力分析R = L - w h=0n 臨界水力坡降臨界水力坡降h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bicr = h/L = / we11Gws)(e11Giscr由于由于icr取決于土取決于土的物理性質(zhì)的物理性質(zhì)滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì)F物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力滲透水流的拖曳力，它是一種體積力F大?。捍笮。?j = j = w wi iF方向：方向：與水力坡降方向一致與水力坡降方向一致F作用對象：作用對象：土骨架土骨

34、架n土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型建筑物發(fā)生破壞的常見類型n基本類型：基本類型： 管涌管涌 流土流土 接觸流土接觸流土 接觸沖刷接觸沖刷滲透變形滲透變形單一土層滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式的兩種基本型式滲透變形滲透變形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土

35、，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流crii e11GiscrF 原因：原因：與土的密實度有關(guān)與土的密實度有關(guān)滲透變形滲透變形 管涌管涌F 原因原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大外因：滲透力足夠大 n 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道地表貫通的管道1

36、. 在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失3. 形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷2. 孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動發(fā)生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位

37、置土類土類歷時歷時后果后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口 scrFiiiFs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降允許坡降F i icr :土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞n 工程設(shè)計：工程設(shè)計：流土可能性的判別流土可能性的判別n 在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，

38、只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：一水力條件，均要發(fā)生流土：n 土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)： 粘性土（分散性土例外）屬于非粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土管涌土 無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的應的幾何條件幾何條件和和水力條件水力條件管涌可能性的判別管涌可能性的判別有效應力原理有效應力原理太沙基太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963)太沙基 土力學的奠基人1921-1923年提出土的有年提出土的有效應力原理和土的固結(jié)理效應力原理和土的固結(jié)

39、理論，論，1925年出版經(jīng)典著作年出版經(jīng)典著作土力學土力學，首次將各種，首次將各種土工問題歸納成為系統(tǒng)的土工問題歸納成為系統(tǒng)的有科學依據(jù)的計算理論，有科學依據(jù)的計算理論，奠定了他作為土力學創(chuàng)始奠定了他作為土力學創(chuàng)始人的地位人的地位對所受總應力，骨架和孔隙對所受總應力，骨架和孔隙流體如何分擔？流體如何分擔？它們?nèi)绾蝹鬟f和相互轉(zhuǎn)化？它們?nèi)绾蝹鬟f和相互轉(zhuǎn)化？它們對土的變形和強度有何它們對土的變形和強度有何影響？影響？外荷載外荷載 總應力總應力 n 土體是由固體顆粒骨架、孔隙流土體是由固體顆粒骨架、孔隙流體（水和氣）三相構(gòu)成的碎散材體（水和氣）三相構(gòu)成的碎散材料，受外力作用后，料，受外力作用后，總應力

40、由土總應力由土骨架和孔隙流體共同承受骨架和孔隙流體共同承受Terzaghi的有效應力原理和固結(jié)理論的有效應力原理和固結(jié)理論有效應力原理有效應力原理外荷載外荷載 總應力總應力 飽和土中的應力形態(tài)飽和土中的應力形態(tài)n 飽和土是由固體顆粒骨架和充滿飽和土是由固體顆粒骨架和充滿其間的水組成的兩相體。受外力其間的水組成的兩相體。受外力后，后，總應力分為兩部分承擔：總應力分為兩部分承擔：F由土骨架承擔，并通過顆粒之間由土骨架承擔，并通過顆粒之間的接觸面進行應力的傳遞，稱之的接觸面進行應力的傳遞，稱之為為粒間應力粒間應力F有由孔隙水來承擔，通過連通的有由孔隙水來承擔，通過連通的孔隙水傳遞，稱之為孔隙水傳遞，

41、稱之為孔隙水壓力孔隙水壓力?？紫端荒艹袚魬?，但能承孔隙水不能承擔剪應力，但能承受法向應力受法向應力外荷載外荷載 總應力總應力 AaaPsv接觸點接觸點PsA A：A Aw w：A As s：土單元的斷面積土單元的斷面積顆粒接觸點的面積顆粒接觸點的面積孔隙水的斷面積孔隙水的斷面積u wsvAuPA a-aa-a斷面豎向力平衡：斷面豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv 有效應力有效應力 1飽和土有效應力原理飽和土有效應力原理有效應力原理的討論有效應力原理的討論 孔隙水壓孔隙水壓力的作用力的作用 有效應力有效應力的作用的作用 討論討論 它在各個方向相等，只能使土顆粒它在各個方向相等，只能使

42、土顆粒本身受到等向壓力，不會使土顆粒本身受到等向壓力，不會使土顆粒移動，導致孔隙體積發(fā)生變化。由移動，導致孔隙體積發(fā)生變化。由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小本身壓縮變形極小 水不能承受剪應力，對土顆粒間摩水不能承受剪應力，對土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻擦、土粒的破碎沒有貢獻 因而孔隙水壓力對變形強度沒有直因而孔隙水壓力對變形強度沒有直接影響，稱為中性應力接影響，稱為中性應力有效應力原理的討論有效應力原理的討論 孔隙水壓孔隙水壓力的作用力的作用 有效應力有效應力的作用的作用 討論討論 是土體發(fā)生變形的原因：是土體發(fā)生變形的原因：顆粒間克服摩擦相對滑移、顆粒間克服摩擦相對滑移、滾動以及在接觸點處由于滾動以及在接觸點處由于應力過大而破碎均與應力過大而破碎均與有有關(guān)關(guān) 是土體強度的成因：土的是土體強度的成因：土的凝聚力和粒間摩擦力均與凝聚力和粒間摩擦力均與有關(guān)有關(guān)sat H H1 1H H2 2地面地面地下水位地下水位n 靜水條件：靜水條件：地下水位地下水位 總應力：單位土柱總應力：單位土柱和水柱的總重量和水柱的總重量 = H1+ satH2