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比奥理论与太沙基理论的比较
代入后整理得: 对于各向异性的土体,达西定律可写成: 、 且: ,代入后得: 此式即为平面渗流问题的基本微分方程。这里的kx、kz分别为土体X、Z方向的渗透系数,Ix、Iz分别为X、Z方向的水头梯度,h为水头。 为求解方便,可令: 代入得: 4.2.1 对于各向同性材料,kx=kz ,平面渗流方程变成如下形式: 上式是一个拉普拉斯(Laplace)方程,是描述地下水稳定运动的基本方程。 当边界条件为已知时,利用边界条件求解上述微分方程,便可得到渗流问题的解答。 在上式中,如果令函数: 并使: 满足: 4.2.3 4.2.2 , 代入式4.2.1后得: 适合此要求的函数: 表示的是渗流区域内某点的势能,称为拉普拉斯势流(能)方程。 实用中,水压力(能量)的大小可以用水柱高度 ,即水头h来表示,对于各向同性材料,kx=kz ,平面势流方程可取: 的形式,其中的h为某点的水头。 在式4. 中如继续求二阶混合偏导数,则: , 4.2.4 在整个渗流区域内,势函数应为连续函数,故二阶混合导函数的值与求导顺序无关,所以式4.2.4的两个式子应相等,即: 同样:如果令,并取: ,并取: , 4.2.5 则满足此条件 的称为流函数, 继续对vx、vz 求导得: , 4.2.6 代入式4.2.5后得: 该式即为用流函数表示的拉普拉斯渗流方程。在一定的边界条件下积分上述各式,就能解得由流线和等势线所组成的流网。这是由于φ或水头h的等值线求得以后,根据流函数ψ与势函数φ间的关系就可以求出等于常数的等值线。即ψ和φ并不是两个孤立的函数,而是彼此相关的,当一组曲线求得后,另一组曲线的形式也就固定了。由式4.2.3、4.2.6可以得到两函数的关系为: 、 因此,势函数与流函数是互为共轭的调和函数,知道一个就可推求另一个。 从上面的叙述中可以看出,拉普拉斯方程所描述的渗流问题,应是建立在如下假定基础上的: ①在整个渗流区域内,渗流是稳定的; ②符合达西定律的; ③介质是不可压缩的; ④均匀介质或是分块均匀的流场。 二、 渗流问题的平面流网 应用时,只有在某些简单的边界条件下,利用上述平面渗流方程,才可以求得解析解;。 但实际的渗流工程,边界条件极为复杂,大部分情况下,解析解很难求得。 无奈之下,只能用数值法寻求近似解、图解或模型试验等等。其中最常用的当数图解法,即流网解法。 流网是研究平面渗流问题最实用的图解方法,它由两簇相互正交的曲线构成; 土坝渗流流网 一簇称为流线,代表水流质点的流动路径;另一簇称为等势线,即水头(水压力)相等点的连线,代表各点的水头高度; 同一条等势线上,各点的测压水位或总水头都相等;由于水总是遵循由高处向低处流动的规律,即总是遵循从高势能处向低势能处流动,所以等势线必然与流线(流动方向)垂直,即流线必与等势线正交。 工程上把这种等势线簇和流线簇相互交织组成的网格称为流网,如图所示。 各向同性土的流网具有如下的特性: 1.流网是相互正交的网格: 由于流网与等势线具有正交的性质,故流网为正交的网格; 图为松砂剪切应力~应变曲线(三轴试验) V=1.84 σ3=211kPa 随应变的不断增加, q也不断增加,剪切过程中被压密——剪缩现象。 在较大应变时(接近20%)达到它的最大值,曲线渐趋水平。 松砂的咬合作用微小,即使应变再增加,也不会使其强度显著降低,其峰值强度就是它的最大值。 相应的体变率最小或为一常数,其强度相当于同类密实砂的残余强度。 以上是针对压力维持在较低水平时的现象。 高压下,砂的应力应变曲线却是另一种现象。 q (kPa) εa 20% 10% 600 400 200 图为易破碎的尾矿砂在不同侧压σ?3作用下排水三轴压缩试验的结果。 5 3 1 0.1 图中 实线:γd=18.1kN/m3 虚线:γd=16.6kN/m3 从图中可以看出: 1密砂在高侧压时,峰值较大,剪切时,体积明显减少, 原因:颗粒压碎、承受应力颗粒间接触点的数目大大增加而趋于平衡的缘故。 5 σ1-σ3 (MPa) εa 10 15 10% 20% 其应力~应变特征和体验砂在低侧压下的特征相似。 σ3=7 MPa 2无论密砂或松砂,随着侧限压力增大,剪胀倾向减少; 由剪胀过渡到剪切压缩,而密砂的剪胀幅度要比松砂大得多。 εa εv 压缩 σ3=0.1 MPa 1 3 3密砂在高压力作用下,应力~应变软化特征逐渐减弱。 当侧向压力再高时,密砂的应力~应变曲线却又有所不同, 当侧向压力达到70MPa时,剪坏时的轴向应变先增加,而后当侧向压力超过70MPa时,又减少; 这是由于密砂在高压力下的绝对压缩性有所降低所致。 4图为破坏时,体积变化率随侧向压力的增加而变化的曲线。 0.281 0.703 -0.3 σ3 MPa -0.1 0.1 0
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