2.土的渗透性与渗透变形.ppt

第二章 土的渗透性与渗透变形 §2.1达西定律 §2.2渗透系数及其确定方法 §2.3渗透力与渗透变形 §2.4渗流工程问题与处理措施 主要内容 土的渗透问题概述 浸润线 流线 等势线 下游 上游 土坝蓄水后水透过坝身流向下游 H 隧道开挖时，地下水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透 §2.1 达西定律 一、达西定律 1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究 结论： 水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比 渗透试验播放 v ki 达西定律 水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失 二、达西定律适用范围与起始水力坡降 达西定律 讨论： 砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 ib 起始水力坡降 虚直线简化 达西定律适用于层流，不适用于紊流 v ki i v O 砂土 0 i v 密实粘土 §2.2 渗透系数及其确定方法 一、渗透试验（室内） 时间t内流出的水量 1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变 适用于透水性大（k 10-3cm/s）的土，例如砂土。 2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化 截面面积a 任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量 dV －adh 在时段dt内流经试样的水量 dV kiAdt kAh/Ldt 管内减少水量＝流经试样水量 －adh kAh/Ldt 分离变量 积分 适用于透水性差，渗透系数小的粘性土 二、影响渗透系数的因数 1.土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度 3.水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。 动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。 4.土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。 ?T、?20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表 三、成层土的渗透系数 1.水平渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H q1x q2x q3x qx 通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和 达西定律 整个土层与层面平行的等效渗透系数 平均渗透系数 2.垂直渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H 根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量 垂直渗透系数 q3y q2y q1y qy 各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水头损失之和 代入 整个土层与层面垂直的等效渗透系数 四、例题分析 【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数 【解答】 已知试样截面积A 30cm，渗径长度L 4cm，细玻璃管的内截面积 h1 160cm，h2 52cm，△t 900s 试样在30℃时的渗透系数 §2.3 渗透力与渗透变形 一、渗透力和临界水力坡降 1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力 h 2 h1 h2 1 L 沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h 水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h 土粒对水流的阻力应为 土样面积 根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力 说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响 a b c 渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定 渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利 渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出 2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降 G J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降 或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs 2～3 ，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内 二、渗透变形