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1、第2章土的渗透第1页，本讲稿共41页2.2土的水理性土的水理性2.2.1土的毛细水性质土的毛细水性质2.2.2冻土冻土因素：土的类型、水、温度因素：土的类型、水、温度第2页，本讲稿共41页渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头:单位重量（容重）水体所具有的能量单位重量（容重）水体所具有的能量 z：位置水头：位置水头 u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：第3页，本讲稿共41页2.4、达西渗透定
2、律、达西渗透定律1856年，法国学者达西（年，法国学者达西（Darcy,H.）根据砂土）根据砂土渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比 即达西定律：即达西定律：v v 平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（cm/scm/s或或或或m/sm/s）k k 渗透系数（渗透系数（渗透系数（渗透系数（cm/scm/s或或或或m/s,m/dm/s,m/d）h h 试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失 L L 渗径长度渗径长度渗径长度渗径长度k:k:反映土的透水性能的比
3、例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数第4页，本讲稿共41页v试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L，q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降1.1.渗透试验渗透试验v试验条件试验条件:h1，A，Lv量测变量量测变量:h2，Q，th=h1-h2达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律 第5页，本讲稿共41页 达西定律适用条件达西定律适用条件层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重疏松的粘土及砂性较重的粘性土的粘性土砂土的水力梯度与渗
4、透速度砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透呈线性关系，符合达西渗透定律。定律。第6页，本讲稿共41页粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律 两种特例两种特例粘性土：粘性土：clay致密的粘土致密的粘土 ivovcrivoi0clayv=k(i-i0)第7页，本讲稿共41页2.52.5.渗透系数渗透系数k k的测定的测定室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验测定方法测定方法粗粒土粗粒土细粒土细粒土第8页，本讲稿共41页v 室内
5、试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法i=h/LQv=ki适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土带入带入虑石虑石量筒量筒2.5.1 室内试验测定方法室内试验测定方法=vAt=qt第9页，本讲稿共41页v 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法v试验条件试验条件:h:h变化，变化，A A，L L透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土第10页，本讲稿共41页tt+tdQ=-adhdQ=vAdt流入量流入量：流出量：流出量：=kiAdt-adh第11页，本讲稿共41页2.5.2 2.5.2 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数v确立各层
6、的确立各层的k ki iv根据渗流方向确定等效渗根据渗流方向确定等效渗流系数流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状第12页，本讲稿共41页LH1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqix=kiiiHikxiHkiiiHi1m第13页，本讲稿共41页竖直渗流竖直渗流:H1H2H3Hhk1k2k3xzv条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:vi=ki(h hi i/Hi)第14页，本讲稿共41页算例说明算例说明 H1H2H3Hk1k2k3x第15页，本讲稿共41页2.6.二维渗流及流网应用二维
7、渗流及流网应用 v流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形等势线和流线所形成的网络状曲线簇。成的网络状曲线簇。v流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。v等势线等势线测压管水头相同的点之连线测压管水头相同的点之连线。v流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。题。H h0第16页，本讲稿共41页ABCDHh h00 绘制方法绘制方法根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线和确定边界流线和首尾等势线首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网作流网图时：
8、相邻两条流线之间通过的流量相等作流网图时：相邻两条流线之间通过的流量相等 相邻两条等势线之间的势能差值相等相邻两条等势线之间的势能差值相等流网特点：流网特点：v与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 h为常量为常量v等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h相等相等第17页，本讲稿共41页1.上下游水位差上下游水位差 h5 任意网格内的渗透速度任意网格内的渗透速度6任意两相邻流线间单位宽度流量任意两相邻流线间单位宽度流量4水力坡降水力坡降l为该网格处流线的平均长度为该网格处流线的平均长度Hh0lsls2.相邻两条等势线之间的水头相邻两条等势线之间的水头损失损失 h=h/NdNd等势线间隔数等
9、势线间隔数3.孔隙水压力孔隙水压力 u=HwH测压管水柱高度测压管水柱高度s为该网格处平均等势线长度，取为该网格处平均等势线长度，取s=l7总单位宽度流量总单位宽度流量Nf流线间隔数流线间隔数 流网图的应用流网图的应用第18页，本讲稿共41页例：土体的渗透系数例：土体的渗透系数K=310-4mm/s。求。求1.abcde各点的孔隙水压力各点的孔隙水压力2.地基的单位渗水量地基的单位渗水量3.阴影部分流网的平均流线长阴影部分流网的平均流线长度为度为4.6m求该流网的水利坡求该流网的水利坡降。降。解：解：1.a、e点位于水面。孔隙水压力为点位于水面。孔隙水压力为0吧吧b、d点位于土层表面点位于土层
10、表面水头损失：水头损失：c点孔隙水压力为：点孔隙水压力为：a18m 09m 1m 9m ebdc第19页，本讲稿共41页2.地基的单位渗水量地基的单位渗水量a18m 09m 1m 9m ebdc3.阴影部分流网的平阴影部分流网的平均流线长度为均流线长度为4.6m求求该流网的水利坡降。该流网的水利坡降。第20页，本讲稿共41页2.7 2.7 渗透力与临界水力梯度渗透力与临界水力梯度 v水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。土粒土粒渗渗 流流Gv渗透力渗透力 G d渗透
11、作用中，孔隙水对土骨渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。架的作用力，方向与渗流方向一致。第21页，本讲稿共41页 4点，渗流力与重力点，渗流力与重力方向相反，对稳定方向相反，对稳定特别不利特别不利1点，渗流力与重力方向一致，点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，点，3点，渗流力与重力方点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利向正交，对稳定不利第22页，本讲稿共41页2.7.2 2.7.2 流土管涌流土管涌基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或
12、破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 第23页，本讲稿共41页管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形成大有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 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。生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏第24页，本讲稿共41页管涌的治理v反滤倒渗反滤倒渗第25页，本讲稿共41页管涌的治理v反滤围井反滤围井第26页，本讲稿共41页流土流土在向上的渗透作用下，表层
13、局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象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粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流原因：原因：不发生流土不发生流土发生流土发生流土iicr第27页，本讲稿共41页流土第28页，本讲稿共41页例开挖基坑，土体为均质各向同性的粉质粘土厚例开挖基坑，土体为均质各向同性的粉质粘土厚14.24m，底部，底部为砂土。地下水在地表以下为砂土。地下水在地表以下2m处。粉质粘土的孔隙比处。粉质粘土的孔隙比e为为0.62，比重为比重为2.7。那么基坑最多可开挖多深可以避免发生流土。那么基坑最多可开挖多深可以避免发生流土。第29页，本讲稿共41页第30页
14、，本讲稿共41页 土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。2.8 3.3有效应力
15、原理有效应力原理第31页，本讲稿共41页 饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成的两相体，受外力后由两种应力形式承担的两相体，受外力后由两种应力形式承担的两相体，受外力后由两种应力形式承担的两相体，受外力后由两种应力形式承担:粒间应力粒间应力粒间应力粒间应力:土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力
16、叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力 孔隙水压力：孔隙水承担，由连通的孔隙水传递孔隙水压力：孔隙水承担，由连通的孔隙水传递孔隙水压力：孔隙水承担，由连通的孔隙水传递孔隙水压力：孔隙水承担，由连通的孔隙水传递（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）第32页，本讲稿共41页v为作用于任意面上的全部应力为作用于任意面上的全部应力（自重应力与附加应力）；（自重应力与附加应力）；v 为有效应力，为有效应力，作用于
17、同一平面的土的骨架上，也称粒间应力；作用于同一平面的土的骨架上，也称粒间应力；vu 为孔隙水压力，为孔隙水压力，=-u 第33页，本讲稿共41页2.8.2静水条件下有效应力静水条件下有效应力第34页，本讲稿共41页 稳定渗流作用下的有效应力稳定渗流作用下的有效应力v向下渗流向下渗流第35页，本讲稿共41页稳定渗流作用下的有效应力稳定渗流作用下的有效应力v向上渗流向上渗流第36页，本讲稿共41页例：计算地表以下例：计算地表以下5m处的有效应力处的有效应力地下水以上地下水以上第37页，本讲稿共41页地下水以下地下水以下第38页，本讲稿共41页总结总结1、达西渗透定律、达西渗透定律根据砂土渗透，水的
18、渗透速度与水力坡降成正比根据砂土渗透，水的渗透速度与水力坡降成正比即达西定律：即达西定律：第39页，本讲稿共41页2 达西定律适用条件达西定律适用条件层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土3、水平渗流、水平渗流等效渗透系数等效渗透系数:4、竖直渗流、竖直渗流:等效渗透系数等效渗透系数:第40页，本讲稿共41页6、渗透力、渗透力 Gd：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。向与渗流方向一致。不发生流土不发生流土发生流土发生流土7、临界水力梯度、临界水力梯度8.有效应力原理有效应力原理第41页，本讲稿共41页