土力学1-第二章

渗透力-试验观察
§2.4 渗透力与渗透变形
物理意义：单位土体内土骨架所受到的
渗透水流的拖曳力，它是一种体积力
大小： j = wi 方向：与水力坡降方向一致 作用对象：土骨架
渗透力的性质
§2.4 渗透力与渗透变形
定义：当渗流力克服了土体向下的重力，
则土体发生浮起而处于悬浮状态失去稳
Q
天然水面
渗流问题： 1. 渗流量Q？
透水层
2. 降水深度？
不透水层
水井渗流
§2.1 概述- 渗流问题
渗流问题： 1. 渗流量？
渗流时地下水位
2. 地下水影响 范围？
原地下水位
渠道、河流渗流
§2.1 概述- 渗流问题
渗流问题：
1. 渗透力？ 2. 入渗过程？
事故实例
降雨入渗引起的滑坡
§2.1 概述- 渗流问题
渗透变形 - 流土
§2.4 渗透力与渗透变形 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
过程演示
坝体
渗流
2. 孔隙不断扩大，渗流 1. 3. 在渗透水流作用下， 形成贯穿的渗流通道， 速度不断增加，较粗 细颗粒在粗颗粒形成 造成土体塌陷 颗粒也相继被水带走 的孔隙中移动流失
• 总水头=位置水头+压力水头 • 水头是渗流的驱动力 • 达西定律 • 渗透系数、渗透速度 • 达西定律的适用条件 • 常水头试验 • 变水头试验 • 抽水试验 • 渗透系数影响因素
渗透系数的测定 及影响因素
小
结
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 概述 土的渗透性与渗透规律
q M q M k h
流道数
流网的应用
§2.3 平面渗流与流网 • 连续性方程 • 运动方程 • 边界条件 • 求解方法 • 势函数 • 流函数 • 流网及特性 • 流网的画法 • 流网的应用
平面渗流的基
本方程及求解
流网的绘制及
应用
小
结
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.2 土的渗流性与渗透规律
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
水往低处流
速度v
流速：水具有的动能
水往高处“跑”
压力u
压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
§2.2 土的渗流性与渗透规律 1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
h q A L
Δh
与时间无关
平面稳定渗流
§2.3 平面渗流与流网 单位时间流入单元的水量:
dq e v x dz v z dx
z
vz
单位时间内流出单元的水量:
v x dq o ( v x dx )dz x v ( v z z dz )dx z
vx dz dx v z
v z dz z v x vx dx x
§2.2 土的渗流性与渗透规律 t=t1
h1
试验条件:Δh变化 A，a，L=const
量测变量: h，t 适用土类：透水性较小 的粘性土
Q A
h2
t=t2
土样
L
水头 测管
开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§2.2 土的渗流性与渗透规律
r2 r1
观察井
试验条件:
抽水量Q
Q=const
土体中的渗流
§2.1 概述- 渗流问题
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题：
1. 渗流量？
2. 渗透破坏？
透水层
3. 渗透力？
不透水层
工程实例
土石坝坝基坝身渗流
§2.1 概述- 渗流问题
板桩墙 渗流问题：
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
工程实例
板桩围护下的基坑渗流
§2.1 概述- 渗流问题
v vcr o
v kim (m 1)
i
v ki m
( m 1)
v
对致密的粘性土，由于密实粘土 吸着水具有较大的粘滞力的缘故， 存在起始水力坡降ib, i>ib, v=k(i - ib )
o i0
i
达西定律的适用范围
§2.2 土的渗流性与渗透规律
室内试验方法 野外试验方法
或：
Q
h1
L
q kAi
Q
A
透水石
其中，A是试样的断面积， q是单位渗水量(cm3/s)
达西渗透试验
h2
§2.2 土的渗流性与渗透规律
q v k i A
达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关
渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为 水力坡降i＝1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day
流网的画法
§2.3 平面渗流与流网
测管水头 h
水力坡降
i h / l
H1
H1
H=H1-H2 h h q q h q
） w 确定孔压 （h h z
确定流速 确定流量
f
H2
v ki
0
q H1-h
H1-2h 不透水层
q k
h si k h li
渗透速度 v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想 渗流速度
v v vs n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律
§2.2 土的渗流性与渗透规律 适用条件：层流（线性流动）
岩土工程中的绝大多数渗 流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ：
§2.3
§2.4
平面渗流与流网
渗透力与渗透变形
平面渗流的 基本方程及 求解 流网的绘制 及应用
§2.3 平面渗流与流网 平面问题：渗流剖面和产生 渗流的条件沿某一个方向不 发生变化，则在垂直该方向 的各个平面内，渗流状况完 全一致。 对平面问题，常取dy=1m单 位宽度的一片来进行分析 稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流 h=h(x,z), v=v(x,z)
贮水器 hw L 土样 a b
Δh h1 h2
0
滤网
0
渗透力j：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
渗透力-试验观察
§2.4 渗透力与渗透变形
a b
渗透力 j：体积力
贮水器 hw
Δh h1
土样
土粒
0
L
h2
0
滤网
渗
流
j = wi
渗透力 j ：单位土体内土骨架 所受到的渗透水流的拖曳力
渗流分析的方法
§2.3 平面渗流与流网
1）确定边界条件：边界流 线和首尾等势线
2）研究水流的方向：流线 的走向 3）判断网格的疏密大致分 布 4）初步绘制流网的雏形： 正交性、曲边正方形 5）反复修改和检查 H=H1-H2
a
H1
b
e c d
f
H2
s l g
0
h
不透水层
要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习
特例：各向同性均质土体
h h 2 0 2 x z
2 2
kx=kz Laplace方程，描述渗流场 内水头的分布，是平面稳 定渗流的基本方程
渗流的运动方程
§2.3 平面渗流与流网

数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程 在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定 条件下，求其近似解 数值解法：有限元、有限差分、边界元法等， 近年来得到迅速地发展 电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、 直观，可以用于二维问题和三维问题 流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析 较复杂断面的渗流问题
x
连续性条件:
dq e dq o
v x v z 0 渗流的连续性方程： x z
渗流的连续性方程
§2.3 平面渗流与流网
渗流的连续性方程：
达西定律：
v x v z 0 x z
h v z kz z
h vx kx ; x
2 2 h h 渗流的运动方程： k x kz 2 0 2 x z

原因
内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大
渗透变形 – 管涌
§2.4 渗透力与渗透变形
土是否会发生管涌，取决于土的性质：
粘性土（分散性土例外）属于非
管涌土
无粘性土中发生管涌必须具备相 应的几何条件和水力条件
管涌可能性的判别
§2.4 渗透力与渗透变形
防治流土
i cr i i Fs 减小i：上游延长渗径 下游减小水压
防渗体
坝体 浸润线
增大[i]： 下游增加透水
盖重 • 改善几何条件：设反滤层等 • 改善水力条件：减小渗透坡降
透水层 不透水层
防治管涌
渗透变形的防治措施
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 概述
量测变量:
井
h1
不透水层
r=r1，h1=？
r=r2，h2=？
h2
优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
现场测定法－抽水试验
§2.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构
水的性质
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律 水头与水力坡降 渗透试验与达西 定律
渗透变形
§2.4 渗透力与渗透变形 流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水 力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏
பைடு நூலகம்坝体
粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因： i icr
ds 1 icr 1 e
与土的密实度有关
《土力学1》之第二章
土的渗透性和渗流问题
肖 朝 昀
华侨大学土木工程学院 岩 土 工 程 研 究 所
第二章：土的渗透性和渗流问题
本章提要
• 土的渗透性和渗透规律 • 平面渗流及流网 • 渗透力与渗透变形 • 有严格的理论（水流的一般规律）
本章特点
学习要点
• 注意对物理概念和意义的把握
第二章：土的渗透性和渗流问题
第二章：土的渗透性和渗流问题
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.2 土的渗流性与渗透规律
水头与水力坡降 土的渗透试验与
达西定律
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性
渗透系数的测定
及影响因素
土的渗透性与渗透规律
水 2.0 力 坡 降 1.5 1.0 0.5 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h) 达西定律 适用范围
v d 10 Re h
Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
达西定律的适用范围
§2.2 土的渗流性与渗透规律
两种特例
在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时：
§2.1
§2.2
概述
土的渗透性与渗透规律
§2.3
§2.4
平面渗流与流网
渗透力与渗透变形
渗透力
临界水力坡降 渗透变形（渗 透破坏）
§2.4 渗透力与渗透变形 Δh=0 静水中，土骨 架会受到浮力作用。 Δh>0 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。
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§2.1 概述 土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。当
渗流
土空隙中的自由水在重力作
用下，只要有水头差，就会 发生流动。
土颗粒
土中水

水在土体孔隙中流动的现象称为渗流（渗透） 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性
在计算饱和粘性土上建筑物 的沉降和时间关系时，也需掌握 土的渗透性。
土体固结沉降
§2.1 概述- 土渗流特性
• 挡水建筑物 • 集水建筑物 • 引水结构物 • 基础工程 • 地下工程 • 边坡工程
渗透特性 变形特性 强度特性
• • • • •
渗流量 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置
土的渗透特性
• 常水头试验法
• 变水头试验法
• 井孔抽水试验
• 井孔注水试验
渗透系数的测定方法
§2.2 土的渗流性与渗透规律 试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积Q，t
Q=qt=vAt v=ki
i=Δh/L
QL k Aht
h
土样
L Q V
A
适用土类：透水性较大的砂性土
室内试验方法-常水头试验法
定，土粒随水流动，这时的水头梯度称 为临界水头梯度。
大小：
sat icr 1 w w
临界水头梯度
§2.4 渗透力与渗透变形

土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或 破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工 建筑物发生破坏的常见类型
基本类型： • 管涌 • 流土