土力学PPT第三章.ppt

第3章 土的渗透性与渗流 3.1 概述 3.2 达西定律 3.3 土的渗透系数 3.4 饱和土中的应力和有效应力原理 3.5 渗透力和渗透变形 3.1 概述 由于土中存在孔隙，水（自由水—重力水）必能在其中流动，故在一定条件下土中将发生渗流。 渗流 —— 水在土体中的流动。其流动速度与土的渗透性密切相关。 土的渗透性 —— 表征水流通过土中孔隙难易程度的性质，或即：土允许水透过的特性。 地基问题很多与土中渗流有关，例如，地基的沉降随时间变化，就与土中渗流有很大关系。正是因为在荷载作用下土中自由水逐渐从土的孔隙中被挤出，地基才缓慢的发生沉降或变形。因此，研究土的渗透性和土中渗流有重要的意义。 孔隙水的流动服从伯努力方程，即它是从总能量高处向总能量低处流动。这个总能量可用总水头h来度量： 式中：hz —— 相应于一定基准面的位置水头； u —— 孔隙水压力； v —— 孔隙中水的实际流速； g —— 重力加速度； ——为压力水头； ——为流速水头。 由于土中水的流速 v 一般都较小，故上式中第三项可以忽略不计，余下的两项之和亦称为测管水头。 *杭州地铁地下水水头计算 在岩土工程中土中水的渗流主要会引起两类工程问题： （1）流量与渗流速度问题 在水利工程中的井、渠、坝及其基础工程中，在土木工程中的基坑等施工中（见图3-1），人们常关心的是渗透流量的多少和渗流速度的快慢，相应的措施是改善或降低土的渗透性。 （2）渗透破坏问题（长江溃堤解释） 渗透破坏是指在渗透水流对土骨架的渗透力的作用下，土颗粒间可能发生相对运动甚至整体运动，从而造成地基土体及建造在其上的建筑物失稳。 3.2 达西定律 法国水利工程师达西(Darcy)于1856年在均匀的砂中进行一维渗透试验，原理如图3-2。 试验结果表明： 式中，Δh —— 土样的总水头，亦即测管水头差； L —— 试样的长度，也称渗径； A——试样的断面面积； Q —— 渗透流量； k —— 比例常数。 由此可得： 此即达西定律。其中： Q — 渗流流量, 即单位时间通过过水断面（与水流方向垂直的土截面）的水量cm3/s； v — 水在土中的渗透速度（以整个土截面计算的平均速度）, cm/s。由于土中孔隙的曲折，v 并非孔隙中水的实际流速，而是单位时间内流过单位土截面(过水断面)的水量 q 。 i — 水头梯度（又称水力坡降，水力梯度）， ， 即土中A1和A2两断面的水头差（H1–H2）与两断面间土样长度之比 （图3-2），无量纲； k — 土的渗透系数（cm/s），其物理意义即：单位水头梯度下的渗透速度 (因为当 i = 1，由达西定律知：v = k)。 达西定律称为线性渗透定律，对绝大多数土类均适用。但只适用于层流，不适用于紊流（发生在渗透性很大的卵石和堆石中，例如漩涡）。对于渗透性很低的硬粘土，只有当水头梯度超过某起始值 i0，才会发生线性渗流，在此前则为非线性渗流，即v = k1 in（n1），其后才符合线性规律。（见图3-4） 3.3 土的渗透系数 3.3.1 渗透系数的影响因素 3.3.2 不同土渗透系数的范围 3.3.3 确定土的渗透系数的试验 3.3.4 分层土的等效渗透系数 3.3.1 渗透系数的影响因素 影响渗透系数 k 的因素主要有： 1. 孔隙比