土力学课件(清华大学)2.pdf

1、清华大学土木水利学院清华大学土木水利学院 岩岩 土土 工工 程程 研研 究究 所所张张 丙丙 印印土力学土力学1 1之第二章之第二章土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习要点学习要点第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗透规律土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网平面渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律）有严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒多孔介质特性）有经验性规律（散粒多孔介质特性）注意对物理概念和意义的把握注意对物理概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点注意把握

2、土是散粒多孔介质这一特点 本章作业：本章作业：2-1 2-32-42-52-72.1 2.1 概述概述2.2 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 平面渗流与流网平面渗流与流网2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.1 2.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流 土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能时，水

3、就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量高的点向能量低的点流动 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问题防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.渗透破坏？渗透破坏？3.渗透力？渗透力？工程实例工程实例仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问

4、题渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.渗透破坏？渗透破坏？3.渗水压力？渗水压力？透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙工程实例工程实例仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水渗流问题：渗流问题：1.渗流量渗流量Q？2.降水深度？降水深度？透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问题仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.地下水影响地下水影响 范围？范围？渠道、河流渗流渠道、河流渗流2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问题原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流

5、时地下水位仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.1 2.1 概述概述-渗流问题渗流问题降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡渗流问题：渗流问题：1.渗透力？渗透力？2.入渗过程？入渗过程？事故实例事故实例仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗流量渗流量 扬压力扬压力 渗水压力渗水压力 渗透破坏渗透破坏 渗流速度渗流速度 渗水面位置渗水面位置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性土的渗透特性2.1 2.1 概述概述-土渗流特性土渗流特性2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 土的渗透性

6、与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 2.3 平面渗流与流网平面渗流与流网2.4 2.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水头与水力坡降水头与水力坡降土的渗透试验与土的渗透试验与达西定律达西定律渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数仁者乐山仁者

7、乐山 智者乐水智者乐水 位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能所具有的位置势能 压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能具有的压力势能 测管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能之和，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头相等在静止液体中各点的测管水头相等2.2 2.2 土的渗流性与渗

8、透规律土的渗流性与渗透规律位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAu zBwBu 基准面基准面静水静水仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 位置势能：位置势能：mgzwumg 压力势能：压力势

9、能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzwu 动能：动能：2mv212wmv21umgmgzE 总能量：总能量：2gvuzh2w 称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力 单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力-水头水头仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体

10、流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律ABLhAzAwAu 基准面基准面g2vuzh2w wuzh 总水头：总水头：单位单位重量重量水体所具有的能量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面）压力水头压力水头u/w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力）流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）渗流的总水头：渗流的总水头：渗流问题的

11、水头渗流问题的水头也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水wBBBuzh A A点总水头：点总水头：2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水力坡降水力坡降ABLhAhBzAwAu wBu zBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线wAAAuzh B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失BAhhh 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失

12、Lhi 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水达西渗透试验达西渗透试验2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验LhAQ或：或：iAkQ 其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水ikAQv达西定律达西定律2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 达西定律：达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关

13、渗透系数渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day 渗透速度渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度渗流速度nvvvs其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水达西定律的适用范围达西定律的适用范围2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大

14、多数渗岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行西定律。可用雷诺数进行判断判断 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速(m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂10dvReRe5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐

15、水达西定律的适用范围达西定律的适用范围2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆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，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时：ivoi0 两种特例两种特例 对致密的粘性土，存在起始水力对致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i i0 0？ivovcr)1m(kivm )(1mkivmii0,v=k(i-i0)仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 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

16、水试验2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 室内试验方法室内试验方法 野外试验方法野外试验方法仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水室内试验方法室内试验方法-常水头试验法常水头试验法 试验条件试验条件:h，A，L=const 量测变量量测变量:体积体积V，t 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk hL土样土样AVQ仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法 试验条件试验条件:h变化变化 A，a，L=const 量测变量量测变量:h，t 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土2.2 2.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水土样土样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内：入流量入流量：dVe=-adh 出流量：出流量：dVo=kiAdt=k(h/