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(duì)象：飽和土體研究對(duì)象：飽和土體“土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的” 土的滲透性問(wèn)題土的滲透性問(wèn)題 土的固結(jié)問(wèn)題土的固結(jié)問(wèn)題 土的毛細(xì)現(xiàn)象土的毛細(xì)現(xiàn)象 凍結(jié)時(shí)水分移動(dòng)凍結(jié)時(shí)水分移動(dòng)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(dāng)其孔隙在空間互相連通。當(dāng)飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差時(shí)，水就在土的孔隙中從能時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)向

2、能量低的點(diǎn)流動(dòng)量高的點(diǎn)向能量低的點(diǎn)流動(dòng)F 水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象稱為水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象稱為滲流滲流F 土具有被水等液體透過(guò)的性質(zhì)稱為土的土具有被水等液體透過(guò)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(rùn)線浸潤(rùn)線滲流問(wèn)題：滲流問(wèn)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(shí)例工程實(shí)例板樁圍護(hù)下的基坑滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流問(wèn)題：滲流問(wèn)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(shí)例工程實(shí)例滲流問(wèn)題：滲流問(wèn)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(wèn)題：滲流問(wèn)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(shí)地下水位滲流時(shí)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(wèn)題：滲流問(wèn)題：1. 滲透力？滲透力？2. 入滲過(guò)程？入滲過(guò)程？事故實(shí)例事故實(shí)例 滲流量滲流量 揚(yáng)壓力揚(yáng)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(qiáng)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(yàn)與土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律達(dá)西定律F滲透系數(shù)的測(cè)定滲透系數(shù)的測(cè)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(dòng)能量滲流的驅(qū)動(dòng)能量反映滲流特點(diǎn)的定律反映滲流特點(diǎn)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(zhǔn)面的豎直距離，到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能所具有的位置勢(shì)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(shì)能具有的壓力勢(shì)能n 測(cè)管水頭：測(cè)管水頭：測(cè)管水面到基準(zhǔn)面的垂測(cè)管水面到基準(zhǔn)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(shì)能之和，表示單位重量液體的總勢(shì)能n 在靜止液體中各點(diǎn)的測(cè)管水頭相等在靜止液體中各點(diǎn)的測(cè)管水頭相等位置、壓力和測(cè)管水頭位置、壓力和測(cè)管水頭zA00ABu0pawAu zBwBu 基準(zhǔn)面基準(zhǔn)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(dòng)，應(yīng)滿滲流為水體的流動(dòng)，應(yīng)滿足液體流動(dòng)的三大基本方足液體流動(dòng)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(dòng)量方程程、動(dòng)量方程ABLhAzAwAu 基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面g2vuzh2w wuzh n 總水頭：總水頭：?jiǎn)挝恢亓克w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(shì)能（任選基準(zhǔn)面）：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面） 壓力水頭壓力水頭u/ w：水體的壓力勢(shì)能（：水體的壓力勢(shì)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(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流0）n 滲流的總水頭：滲流的總水頭：滲流問(wèn)題的水頭滲流問(wèn)題的

7、水頭也稱也稱測(cè)管水頭測(cè)管水頭，是滲流的，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水總驅(qū)動(dòng)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(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：水力坡降水力坡降A(chǔ)BLhAhBzAwAu wBu zBh h基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線wAAAuzh B B點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭： 二點(diǎn)總水頭差：反映了二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力兩點(diǎn)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：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失Lhi LAh1h2QQ透水石1856 年達(dá)西年達(dá)西(Darcy)在研究城在研究城市供水問(wèn)題時(shí)進(jìn)行的滲

8、流試驗(yàn)市供水問(wèn)題時(shí)進(jìn)行的滲流試驗(yàn)LhAQ或：或：iAkQ 其中，其中，A是試樣的斷面積是試樣的斷面積達(dá)西滲透試驗(yàn)達(dá)西滲透試驗(yàn)ikAQv達(dá)西定律達(dá)西定律n 達(dá)西定律：達(dá)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(shí)的滲流速度，單位：時(shí)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(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速達(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律的適用范圍n 適用條件：層流（線性流動(dòng)）適用條件：層流（線性流動(dòng)） 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(wèn)題，包括砂土或一般流問(wèn)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(huì)隨流速增大呈紊態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。可用雷諾數(shù)進(jìn)行西定律?？捎美字Z數(shù)進(jìn)行判斷判斷 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)西定律達(dá)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(xì)砂細(xì)砂極細(xì)砂極細(xì)砂h10dvReRe5時(shí)層流時(shí)層流Re 200時(shí)紊流時(shí)紊流200 Re 5時(shí)為過(guò)渡區(qū)時(shí)為過(guò)渡區(qū) 達(dá)西定律的適用范圍達(dá)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(shí)，達(dá)石體中，在水力坡降較大時(shí)，達(dá)西定律不再適用，此時(shí)：西定律不再適用，此時(shí)：ivoi0n 兩種特例兩種特例 對(duì)致密的粘性土，存在起始水力對(duì)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(cè)定方法滲透系數(shù)的測(cè)定方法 常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法 變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法 井孔抽水試驗(yàn)井孔抽水試驗(yàn) 井孔注水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)F 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法F 野外試驗(yàn)方法野外試驗(yàn)方法n 試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h，A，L=constn 量測(cè)變量量測(cè)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(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法- -常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法- -變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法n 試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: :h變化變化 A，a，L=constn 量測(cè)變量量測(cè)

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(cè)管測(cè)管開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)a土樣土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭水頭測(cè)管測(cè)管開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)在在tt+dt時(shí)段內(nèi)：時(shí)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(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法- -變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法21hhAtaLkln選擇幾組量測(cè)結(jié)果選擇幾組量測(cè)結(jié)果

13、，計(jì)算相應(yīng)的，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)小結(jié)常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件條件已知已知測(cè)定測(cè)定公式公式取值取值h=consth變化變化h，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法抽水試驗(yàn)抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層n 試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : Q=constn 量測(cè)變量量測(cè)變量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)優(yōu)點(diǎn)：

14、可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù) 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)觀察井觀察井212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2 rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQn 計(jì)算公式：計(jì)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(cè)壓管水面測(cè)壓管水面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法抽水試驗(yàn)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(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所

15、控制。因此，小一般由細(xì)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(lái)表示，如哈臣公式：來(lái)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(jí)配粒徑大小及級(jí)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(duì)于砂性土，常建立孔隙比對(duì)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(jí)配粒徑大小及級(jí)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(duì)粘性土，影響顆粒的表面力對(duì)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?yàn)楦邩O大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石嶺石伊里石伊里石蒙脫石蒙脫石 ；當(dāng)粘土；當(dāng)粘土中含有可交換的鈉離子越多時(shí)，中含有可交換的鈉離子越多時(shí)，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(jí)配粒徑大小及級(jí)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(duì)粘性土影響更大對(duì)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(dāng)孔隙比相同在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具時(shí)，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(jí)配粒徑大小及級(jí)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(dòng)力粘滯系數(shù)：水的動(dòng)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(duì)泡對(duì)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(jí)配粒徑大小及級(jí)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(gè)土層用假想單一土層置換，多個(gè)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(dá)西定律達(dá)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(dá)西定律達(dá)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(shuō)明算例說(shuō)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(wèn)題：平面問(wèn)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(gè)方向不發(fā)生流的條件沿某一個(gè)方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個(gè)變化，則在垂直該方向的各個(gè)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(duì)平面問(wèn)題，常取對(duì)平面問(wèn)題，常取dy=1m單位單位寬度的一片來(lái)進(jìn)行分析寬度的一片來(lái)進(jìn)行分析h=h(x,z), v=v(x,z)與時(shí)間無(wú)關(guān)與時(shí)間無(wú)關(guān)n 穩(wěn)定滲流：穩(wěn)定滲流：流場(chǎng)不隨時(shí)間發(fā)生變化的滲流流場(chǎng)不隨時(shí)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(shí)間流

22、入單元的水量單位時(shí)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(shí)間內(nèi)流出單元的水量單位時(shí)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(yùn)動(dòng)方程滲流的運(yùn)動(dòng)方程zhkvxhkvzzxx; 達(dá)西定律：達(dá)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(yùn)動(dòng)方程：滲流的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方程，描述滲流場(chǎng)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(wèn)題描述平面穩(wěn)定滲流問(wèn)題描述n 運(yùn)動(dòng)方程：運(yùn)動(dòng)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(xué)解析法或近似解析法：數(shù)學(xué)解析法或近似解析法：求取滲流運(yùn)動(dòng)方程求取滲流運(yùn)動(dòng)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(lái)得到迅速地發(fā)

25、展近年來(lái)得到迅速地發(fā)展F電比擬試驗(yàn)法：電比擬試驗(yàn)法：利用電場(chǎng)來(lái)模擬滲流場(chǎng)，簡(jiǎn)便、利用電場(chǎng)來(lái)模擬滲流場(chǎng)，簡(jiǎn)便、直觀，可以用于二維問(wèn)題和三維問(wèn)題直觀，可以用于二維問(wèn)題和三維問(wèn)題F流網(wǎng)法：流網(wǎng)法：簡(jiǎn)便快捷，具有足夠的精度，可分析簡(jiǎn)便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問(wèn)題較復(fù)雜斷面的滲流問(wèn)題滲流分析的方法滲流分析的方法n 流速勢(shì)或勢(shì)函數(shù)：流速勢(shì)或勢(shì)函數(shù)：)zu(khkw gradvzv,xvzx則有：則有：滿足達(dá)西定律的滲流問(wèn)題是一個(gè)勢(shì)流問(wèn)題滿足達(dá)西定律的滲流問(wèn)題是一個(gè)勢(shì)流問(wèn)題勢(shì)勢(shì) 函函 數(shù)數(shù)n 勢(shì)函數(shù)的特性：勢(shì)函數(shù)的特性： 等勢(shì)面是等水頭面等勢(shì)面是等水頭面 兩條等勢(shì)面的勢(shì)值差同其水頭差成正

26、比兩條等勢(shì)面的勢(shì)值差同其水頭差成正比n 定義：流線是流場(chǎng)中的曲線，在這條曲線上所有各定義：流線是流場(chǎng)中的曲線，在這條曲線上所有各質(zhì)點(diǎn)的流速矢量都和該曲線相切質(zhì)點(diǎn)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(guò)的流量性質(zhì)二：兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過(guò)的流量流函數(shù)流函數(shù)0zx2222 1 1）勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程）勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程2 2）勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)正交，一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)）勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)正交，一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)3

27、3）勢(shì)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(shì)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(gè)滲流場(chǎng)地描述了同一個(gè)滲流場(chǎng)4 4）當(dāng)對(duì)調(diào)邊界條件時(shí)，勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)兩組曲線可互換）當(dāng)對(duì)調(diào)邊界條件時(shí)，勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)兩組曲線可互換勢(shì)函數(shù)與流函數(shù)勢(shì)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(shì)線正交流線和等勢(shì)線正交F流網(wǎng)中應(yīng)使相鄰流線間的流流網(wǎng)中應(yīng)使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢(shì)線間的勢(shì)函數(shù)差和相鄰等勢(shì)線間的勢(shì)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(zhǎng)比為流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長(zhǎng)比為常數(shù)，通常取為常數(shù)，通常取為1 1n 在流場(chǎng)中，流線和

28、等勢(shì)線（等在流場(chǎng)中，流線和等勢(shì)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(huà)法流網(wǎng)的畫(huà)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(shì)線線和首尾等勢(shì)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(fù)修改和檢查）反復(fù)修改和檢查 H=H1-H20H1H2不透水層不透水層要點(diǎn)：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習(xí)要點(diǎn)：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習(xí)lsabc defgh H=H1

29、-H20H1H2不透水層不透水層f流網(wǎng)的應(yīng)用流網(wǎng)的應(yīng)用n 測(cè)管水頭測(cè)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(yàn)觀察試驗(yàn)觀察n h=0 h=0 靜水中，土骨靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。架會(huì)受到浮力作用。n h0 h0 水在流動(dòng)時(shí)，水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)自土骨架的水流受到來(lái)自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)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(duì)土骨架：滲透作用中，孔隙水對(duì)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(yàn)觀察試驗(yàn)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：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架：?jiǎn)挝煌馏w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(duì)比對(duì)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(shí)，濾向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少網(wǎng)支持力減少R = L 減少的部分由誰(shuí)承擔(dān)？減少的部分由誰(shuí)承擔(dān)？總滲透力：總滲透力： J= J= w w h hF 滲透力滲透力j j：?jiǎn)挝煌馏w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(shí)，濾網(wǎng)支持向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少。力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時(shí)的水力坡降稱為時(shí)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(kāi)始發(fā)生，它是土體開(kāi)始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力

33、坡降：流土破壞時(shí)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：?jiǎn)挝煌馏w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(duì)象：作用對(duì)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(jiàn)類型建筑物發(fā)生破壞的常見(jiàn)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(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土

35、，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞力坡降達(dá)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(shí)度有關(guān)與土的密實(shí)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(xì)粒直徑的孔隙內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)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(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，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(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)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(kuò)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(kuò)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(shí)土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)發(fā)生移動(dòng)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(guò)程短破壞過(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位

37、置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)的孔隙通道移動(dòng)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(jí)配的一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)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(jì)：工程設(shè)計(jì)：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(wú)粘性土，

38、只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這無(wú)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(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：土是否會(huì)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(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的應(yīng)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(yīng)力原理有效應(yīng)力原理太沙基太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963)太沙基 土力學(xué)的奠基人1921-1923年提出土的有年提出土的有效應(yīng)力原理和土的固結(jié)理效應(yīng)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(xué)土力學(xué)，首次將各種，首次將各種土工問(wèn)題歸納成為系統(tǒng)的土工問(wèn)題歸納成為系統(tǒng)的有科學(xué)依據(jù)的計(jì)算理論，有科學(xué)依據(jù)的計(jì)算理論，奠定了他作為土力學(xué)創(chuàng)始奠定了他作為土力學(xué)創(chuàng)始人的地位人的地位對(duì)所受總應(yīng)力，骨架和孔隙對(duì)所受總應(yīng)力，骨架和孔隙流體如何分擔(dān)？流體如何分擔(dān)？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(duì)土的變形和強(qiáng)度有何它們對(duì)土的變形和強(qiáng)度有何影響？影響？外荷載外荷載 總應(yīng)力總應(yīng)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(yīng)力

40、由土總應(yīng)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(yīng)力原理和固結(jié)理論的有效應(yīng)力原理和固結(jié)理論有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理外荷載外荷載 總應(yīng)力總應(yīng)力 飽和土中的應(yīng)力形態(tài)飽和土中的應(yīng)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(yīng)力分為兩部分承擔(dān)：總應(yīng)力分為兩部分承擔(dān)：F由土骨架承擔(dān)，并通過(guò)顆粒之間由土骨架承擔(dān)，并通過(guò)顆粒之間的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，稱之的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，稱之為為粒間應(yīng)力粒間應(yīng)力F有由孔隙水來(lái)承擔(dān)，通過(guò)連通的有由孔隙水來(lái)承擔(dān)，通過(guò)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?dān)剪應(yīng)力，但能承孔隙水不能承擔(dān)剪應(yīng)力，但能承受法向應(yīng)力受法向應(yīng)力外荷載外荷載 總應(yīng)力總應(yīng)力 AaaPsv接觸點(diǎn)接觸點(diǎn)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(diǎn)的面積顆粒接觸點(diǎn)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(yīng)力有效應(yīng)力 1飽和土有效應(yīng)力原理飽和土有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理的討論有效應(yīng)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(yīng)力有效應(yīng)力的作用的作用 討論討論 它在各個(gè)方向相等，只能使土顆粒它在各個(gè)方向相等，只能使

42、土顆粒本身受到等向壓力，不會(huì)使土顆粒本身受到等向壓力，不會(huì)使土顆粒移動(dòng)，導(dǎo)致孔隙體積發(fā)生變化。由移動(dòng)，導(dǎo)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(yīng)力，對(duì)土顆粒間摩水不能承受剪應(yīng)力，對(duì)土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒(méi)有貢獻(xiàn)擦、土粒的破碎沒(méi)有貢獻(xiàn) 因而孔隙水壓力對(duì)變形強(qiáng)度沒(méi)有直因而孔隙水壓力對(duì)變形強(qiáng)度沒(méi)有直接影響，稱為中性應(yīng)力接影響，稱為中性應(yīng)力有效應(yīng)力原理的討論有效應(yīng)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(yīng)力有效應(yīng)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(duì)滑移、顆粒間克服摩擦相對(duì)滑移、滾動(dòng)以及在接觸點(diǎn)處由于滾動(dòng)以及在接觸點(diǎn)處由于應(yīng)力過(guò)大而破碎均與應(yīng)力過(guò)大而破碎均與有有關(guān)關(guān) 是土體強(qiáng)度的成因：土的是土體強(qiáng)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(yīng)力：?jiǎn)挝煌林倯?yīng)力：?jiǎn)挝煌林退目傊亓亢退目傊亓?= H1+ satH2