土力學(xué)-土的滲透性及滲流課件

第二章土的滲透性及滲流問題第二章土的滲透性及滲流問題一、土的滲透性permeability及土中滲流seepage2.土中滲流與工程的關(guān)系（1）滲透變形（破壞）問題因滲流造成土體變形甚至破壞。（2）滲流量的問題

土壩壩身、壩基、渠道等的滲漏水量估算；

基坑開挖滲水量及排水量計算；

水井供水量估算。1.土的滲透性土中孔隙相互連通，使土具有使水或其他液體通過的性質(zhì)稱為土的滲透性。一、土的滲透性permeability及土中滲流seepag

基坑開挖中的滲流問題降水前的地下水位需降至坑底以下控制因降水產(chǎn)生的土層變形，避免對周圍建（構(gòu)）筑物、道路、地下管線等產(chǎn)生不良影響。設(shè)置降水系統(tǒng)，將地下水位降至坑底以下，使基礎(chǔ)和地下室可正常施工。管井降水潛水泵基坑開挖中的滲流問題降水前的地下水位需降至坑底以下水頭

hydraulichead：單位重量的水所具有的能量。二、

土的滲透定律——Darcy定律總水頭勢水頭靜水頭動水頭測壓管水頭孔隙水壓滲流速度1.滲流中的總水頭和水力梯度（1）基本原則連續(xù)性原理能量方程（Bernoulli方程）（2）總水頭和水力梯度位置水頭壓力水頭速度水頭土中滲流速度通常較小，可忽略水頭hydraulichead：單位重量的水所具有的能量水力梯度（水力坡降）hydraulicgradient：單位流程的水頭損失?？偹^線測壓管piezometertubeAB流程（滲流路徑）水力梯度水力梯度（水力坡降）hydraulicgradient：單123.Darcy滲透定律在層流sheetflow狀態(tài)下，有（Darcy，1856）平均流速流量土的截面積滲透系數(shù)水力梯度（2）Darcy定律是計算分析土的滲流、滲透固結(jié)問題的重要基礎(chǔ)。HenryPhilibertGaspardDarcy(1803-1858)

1803年6月10日出生于法國第戎（Dijon）。他于1839～1840年設(shè)計和主持建造了第戎鎮(zhèn)的供水系統(tǒng)（比巴黎早20年）。進(jìn)水砂濾板碎石（1）v=q/A稱為平均流速dischargevelocity，它不是滲流的真實速度。因為A不是真正的過水面積，而且土中的實際滲流路徑是非常復(fù)雜的。cm/scm/s123.Darcy滲透定律在層流sheetflow狀態(tài)下1）砂土及一般黏性土中的滲流通常為層流，故Darcy定律適用。2）礫及以上的粗粒土在水力梯度較大時形成紊流，Darcy定律不適用。3）黏性很強(qiáng)的致密黏土，水力梯度較小時不發(fā)生滲流，且v-i之間為非線性關(guān)系。（3）Darcy定律的適用范圍iv0vcr礫及以上的粗粒土i0iv0致密黏土

（通常，工程中仍近似采用此關(guān)系。）使用時，可簡化為1）砂土及一般黏性土中的滲流通常為層流，故Dar適用于砂土二、滲透系數(shù)coefficientofpermeability及測定方法（1）常水頭滲透試驗constantheadpermeabilitytest由Darcy定律由于可得滲透系數(shù)1.滲透系數(shù)測定方法進(jìn)水土樣濾板溫度為T時的滲透系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)粘滯系數(shù)適用于砂土二、滲透系數(shù)coefficientofper（2）變水頭滲透試驗fallingheadpermeabilitytest適用于黏性土2）滲流速度計算3）水力梯度計算1）由Darcy定律4）求滲透系數(shù)水頭下降t1時t2時t時出水變水頭管的截面積土樣截面積將②、③代入①，并積分①②③水頭差（2）變水頭滲透試驗fallingheadperme（3）現(xiàn)場抽水試驗pumptest,permeabilitytest適用于粗顆粒土1）由Darcy定律抽水井觀測孔1觀測孔2hr1rr2h1h2地下水位粗粒土層不透水層①②③2）滲流速度計算單位時間的抽水量3）水力梯度計算4）求滲透系數(shù)將②、③代入①，并積分dhdr（總水頭線）（3）現(xiàn)場抽水試驗pumptest,permeabilD5Kenney(1984)

D10

Hazen(1892)2.滲透系數(shù)的影響因素（1）土顆粒的粒徑、級配和礦物成分有效顆粒尺寸effectivegrainsizeb.

曲率系數(shù)Cu對滲透性的影響不大。a.砂土的滲透性由其中的小顆?？刂茲B透系數(shù)D5Kenney(1984)D10Hazen(d.細(xì)粒土的滲透性與液體的極性有關(guān)。

（MesriandOlson，1971）水四氯化碳或苯c.滲透系數(shù)：蒙脫石<伊利石<高嶺石。d.細(xì)粒土的滲透性與液體的極性有關(guān)。（Mesriand（3）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（4）土的飽和度（5）水的動力黏滯度

dynamiccoefficientofviscosity砂土黏性土黏性土：絮凝結(jié)構(gòu)>分散結(jié)構(gòu)層狀土：不飽和土中氣泡對滲透性的影響（2）孔隙比或孔隙率（3）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（4）土的飽和度（5）水的動力黏滯度d3.成層土的平均滲透系數(shù)

水平滲流時總流量等于各土層流量之和（各層的水力梯度相等）

豎直滲流時總水頭損失等于各土層水頭損失之和（各層的流量相等）將土層簡化為均質(zhì)土，便于計算3.成層土的平均滲透系數(shù)水平滲流時總流量等于各土層流量之三、滲透力及臨界水力梯度b-ba-a?孔隙水土顆粒滲流1.滲透力總滲透力三、滲透力及臨界水力梯度b-ba-a?孔隙水土顆粒滲流1.土力學(xué)-土的滲透性及滲流ppt課件

滲透力seepageforce土中滲流對土粒產(chǎn)生推動、摩擦、拖曳作用力。

臨界水力梯度criticalhydraulicgradient

有效應(yīng)力effectivestress土顆粒土顆粒之間的作用力。有效應(yīng)力為0時對應(yīng)的水力梯度。此時水將發(fā)生滲透破壞。滲透力seepageforce土中滲流對土粒產(chǎn)生推動、2.土的滲透破壞

流土（流砂quicksand

、翻砂boilsand）

在向上的滲流作用下，表面土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。

發(fā)生條件

要求2.土的滲透破壞流土（流砂quicksand、翻砂

管涌

piping

在滲流作用下，土中的細(xì)粒在粗粒形成的孔隙中移動以至流失→孔隙增大，滲流速度增加→粗粒流走→貫通的水流通道→土體塌陷。

發(fā)生條件（2）級配（1）無黏性土且滿足一定的級配條件（3）水力梯度級配連續(xù)i=0.15～0.25級配不連續(xù)i=0.10～0.20管涌piping在滲流作用下，土中的細(xì)粒在四、基坑降水設(shè)計1.降水方案選擇方法名稱土類滲透系數(shù)/m/d降水深度/m水文地質(zhì)特征集水明排填土、粉土、黏性土、砂土7～20.0<5上層滯水或水量不大的潛水降水真空井點0.1～20.0單級<6多級<20噴射井點0.1～20.0<20管井粉土、砂土、碎石土、可溶巖、破碎帶1.0～200.0>5含水豐富的潛水、承壓水、裂隙水截水黏性土、粉土、砂土、碎石土、可溶巖不限不限回灌填土、粉土、砂土、碎石土0.1～200不限四、基坑降水設(shè)計1.降水方案選擇方法名稱土類滲透系數(shù)降水2.降水參數(shù)計算（管井）（1）計算基坑平面等效半徑矩形任意形狀（2）計算基坑影響半徑潛水承壓水2.降水參數(shù)計算（管井）（1）計算基坑平面等效半徑矩形任（3）計算基坑涌水量潛水和承壓水完整井和非完整井地表無補(bǔ)給水和有補(bǔ)給水潛水、完整井、無補(bǔ)給潛水、非完整井、有補(bǔ)給承壓水、完整井、有補(bǔ)給（3）計算基坑涌水量潛水和承壓水完整井和非完整井地表無（5）計算單井出水量1－沉砂管；2－鋼筋焊接骨架；3－濾網(wǎng)；4－管身；5－吸水管；6－離心泵；7－小礫石過濾層；8－黏土封口；9－混凝土實壁管；10－混凝土過濾管；11－潛水泵；12－出水管（5）計算單井出水量1－沉砂管；2－鋼筋焊接骨架；3－濾網(wǎng)；混凝土實壁管混凝土過濾管混凝土過濾管礫石潛水泵出水管井孔混凝土實壁管混凝土過濾管混凝土過濾管礫石潛水泵出水管井孔（6）計算所需管井?dāng)?shù)量（7）計算井管長度降水井布置圖（6）計算所需管井?dāng)?shù)量（7）計算井管長度降水井布置圖土力學(xué)-土的滲透性及滲流ppt課件水流的狀態(tài)不隨時間而變。五、二維穩(wěn)定滲流steadyseepage（1）連續(xù)方程的建立對穩(wěn)定流，流入量＝流出量流入微單元的水量（厚度為1）流出微單元的水量1.二維穩(wěn)定滲流的連續(xù)方程水流的狀態(tài)不隨時間而變。五、二維穩(wěn)定滲流steadyse對穩(wěn)定流，流入量＝流出量數(shù)學(xué)上稱為Laplace方程（調(diào)和方程harmonicequation）PierreSimondeLaplace1749～1827連續(xù)方程水力梯度水頭對各項同性土對穩(wěn)定流，流入量＝流出量數(shù)學(xué)上稱為Laplace方程Pie（3）勢方程和流方程勢方程滲流與等勢線垂直Cauchy-Riemann方程流方程（2）連續(xù)方程的解法

數(shù)學(xué)解析法

數(shù)值解法

試驗法（比擬法）

圖解法

與

之間滿足（3）勢方程和流方程勢方程滲流與等勢線垂直Cauchy-Ri不透水層板樁或連續(xù)墻（4）連續(xù)方程的解及流網(wǎng)flownet流線等勢線邊界邊界邊界邊界流槽（1）滿足滲流場的邊界條件。（2）等勢線與流線正交。（3）流網(wǎng)中四邊形網(wǎng)格沿等勢線和流線兩個方向邊長之比值相等（＝1）各流槽流量相等，且有不透水層板樁或連續(xù)墻（4）連續(xù)方程的解及流網(wǎng)flowne3.流網(wǎng)的應(yīng)用（1）水頭