第3章土的渗透性及渗流.ppt

第3章 土的渗透性及渗流第二章回顾n1.若某砂土的天然孔隙比与其能达到的最大孔隙比相等，则该土 (A)处于最疏松状态 (B)处于中等密实状态 (C)处于最密实状态n2.饱和土的组成为：n(A)固相(B)固相液相n(C)固相液相气相(D)液相n3.在土的三相比例指标中，三项基本的试验指标是()、()、()。它们分别可以采用()法、()法和()法测定。n4.所谓土的含水量，是指：n(A)水的质量与土体总质量比 (B)水的体积与孔隙体积之比(C)水的质量与土体中固体部分质量之比n5.下列土的物理性质指标中，反映土密实程度的是:n(A)土的重度 (B)孔隙比 (C)干重度 (D)土粒比重。n6.决定无黏性土工程性质的好坏是无粘性土的（），它是用指标（）或（）来衡量。n7.粘粒含量越多，颗粒粒径越()。比表面积越（），亲水性越（），结合水含量越（），塑性指数Ip 越（）。n8.黏性土的液性指数的正负、大小表征黏性土的（）状态，IL1.0为（）状态，IL 0为（）状态。n9.下列指标的（）与无黏性土无关。n（A）孔隙比(B)液性指数（C）最大孔隙比 （D）含水量（E）灵敏度n10.关于塑限的正确说法包括（）。（A）土体由塑性状态转为流动状态的界限含水量；（B）土体由半固态转为塑性状态的界限含水量;（C）一般用wp表示（D）一般用wL表示n11.稠度界限（阿太堡界限）的定义为（）。（A）粘性土随含水量的变化从固态变为半固态时的界限含水率；（B）粘性土的含水量与粘粒含量的比值；（C）粘性土随含水量的变化从半固态变为可塑状态时的界限含水率；（D）粘性土随含水量的变化从一种状态变为另一种状态时的界限含水率。n12.某黏性土的塑性指数IP19，该土的名称为()。(A)粉土 (B)粉质黏土 (C)黏土 (D)砂本讲内容n第3章 土的渗透性及渗流n3.1 概述n3.2 土的渗透性n3.3 土中二维渗流及流网n3.4 渗透破坏与控制3.1 概述概述下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游基坑开挖时，基坑开挖时，地下水向基坑地下水向基坑内流动内流动 支护结构支护结构不 透 水 层不 透 水 层一、工程背景一、工程背景二、基本概念二、基本概念n水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透 n土具有被水透过的性能称为土的渗透性渗透性n水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流n土的渗透性研究包括三个方面：n（1）渗流量问题；n（2）渗透破坏问题；（长江水灾，基坑坍塌）n（3）渗流控制问题。（堤坝防渗墙、基坑防渗）下水管漏水所致基坑坍塌成都成都“楼歪歪楼歪歪”-临近基坑开挖事故临近基坑开挖事故合肥“楼歪歪楼歪歪”-临近基坑开挖事故临近基坑开挖事故3.2 土的渗透性n3.2.1 渗流基本概念n渗流模型：层流(a)(a)水在土孔隙中的运动水在土孔隙中的运动(b)(b)渗流模型渗流模型水在土孔隙中的运动轨迹与渗流模型水在土孔隙中的运动轨迹与渗流模型3.2.2 土的层流渗透定律渗透定律一、达西渗透定律一、达西渗透定律18551855年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂砂土土的渗透性进行研究的渗透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与试水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度水力梯度，即沿渗流方向，即沿渗流方向单位距离的水头损失单位距离的水头损失 hilD D=渗透系数渗透系数二、达西渗透定律适用范围二、达西渗透定律适用范围讨论：讨论：砂土的渗透速度与水力梯度砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系呈线性关系 密实的粘土，需要克服结合水密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透的粘滞阻力后才能发生渗透;同同时渗透系数与水力梯度的规律时渗透系数与水力梯度的规律还偏离达西定律而呈非线性关还偏离达西定律而呈非线性关系系 ib起始水起始水力梯度力梯度虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层流，达西定律适用于层流，不适用于紊流（砾类不适用于紊流（砾类土和巨粒土）土和巨粒土）v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土bvk ii=3.2.3 渗透系数的测定 n渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。n1.室内试验：n常水头试验：适用于透水性强的无粘性土n变水头试验：适用于透水性弱的粘性土。常水头法无粘性土n常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变，试验装置如图 n用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解khtAQLkD=（3-11）h变水头法粘性土n粘性土，渗透系数小，流经水量少 变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的1212ln3 12haLkaA tth=a-细玻璃管截面积 A-土样截面积 2.现场测定法（3-14）tQq=3.影响渗透系数的因素 影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及水的温度等。(自学)课堂练习题课堂练习题 n设变水头试验时，黏土试样的截面积为A30cm2，厚度为L4cm；渗透仪玻璃管的内径为d0.4cm，试验开始时，水位差为h1160 cm，经时段7min 25s后，观测得到水头差为h2145 cm，试求试样的渗透系数。解：n已知面积A30 cm2。渗径长度L4cm，玻璃管的内径截面积为a=0.126cm2。nh1160 cm，h2145 cm，nt10，t2760+25445s。12126ln0.126 4160ln3.71 10 cm/s30 445145haLkA tth=3.3 土中二维渗流和流网3.3.1 二维渗流方程 一维渗流可用达西定律进行计算，而实际工程中，渗流是二维或三维的，这时达西定律需用微分形式表达，然后根据边界条件求解。当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时，这种渗流称为稳定渗流。稳定渗流场中的二维渗流方程称为拉普拉斯方程（3-26），引进边界条件可求解。（自学）求解方法有多种，常用的为图解法绘制流网3.3.2 流网特征与绘制n流网是两组彼此正交的曲线，一组称为等势线（各点水头相等），另一组称为流线（表示渗流的方向），等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网典型流网分析接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小流槽正交流网特征n流线与等势线彼此正交n相邻等势线间的水头损失相等n各流槽的渗流量相等3.4 渗透破坏与控制渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝倒塌3.4.1 渗流力水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力wJi=渗流力是一种体积力3.4.2-3 渗透变形的形式n流土n管涌临界水力梯度临界水力梯度当h增大到某一数值时，向上的渗流力克服了重力，土体就要发生浮起，俗称流土。此时的水力梯度就称为临界水力梯度，用icr表示wcrcrwiiJJVVJVW=00即：衡条件分析土骨架隔离体的平s1111 11swscrdedidne=（3-43）流土管涌n指在渗透水流的作用下，土中的颗粒被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。一般粘性土只会发生流土，而不会发生管涌，属于非管涌土无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时，才可能让细颗粒在其中移动，这是发生管涌的必要条件湖南望城湘江大堤管涌管涌管涌的治理反滤层反滤层：反滤层是由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，顺着水流的方向颗粒逐渐增大，任一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。设置反滤层后渗透水流出时就带不走堤坝体或地基中的土壤，从而防止管涌和流土的发生。管涌的治理反滤围井管涌的治理减压围井减压围井又称养水盆，是在堤坝背水坡脚附近险情处使用土袋抢筑围井，抬高井内水位，减小水头差，降低渗透压力，减小水力坡降，制止渗水夹带泥沙，破坏土层，以稳定管涌险情。小 结n了解土中水的运动规律，熟悉渗透系数的测定方法n了解渗透力，渗透变形，流网的概念，流砂、管涌的形成机理和治理措施 下一讲内容n第4章 土中应力 n4.1 概述n4.2 土中自重应力n4.3 基底压力