第二章 土的渗透性(最终确定)

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2 土的渗透性与达西定律

2 土的渗透性与达西定律

形成临空面,在动水力的作用下可能产生流砂现象。这时,
坑底土边挖边随水涌出,无法清除,站在坑底的人和放置的 施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑,使坑底土 的结构破坏,强度降低,将来会使建筑物产生附加沉降。 一般情况下,施工前应做好周密地勘测工作,当基坑底 面的土层属于容易引起流砂现象的土质时,应避免采用排水 沟明排地下水,而应采用人工降低地下水位(井点降水)的
(6)土中气体
当土中存在封闭气泡时,会阻塞水的渗透,从而降低了 土的渗透性。
二、动水力及渗流破坏
1.动水力
水在土中渗流时,受到土颗粒的阻力T的作用,这个力的
作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原 理,水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上,我们把 水在土中渗流时,对单位体积土骨架所产生的作用力称为动 水力GD(kN/m3)。
达西定律为:
V=k(i-ib)
式中: ib---起始水头梯度(起始水力坡降)。
砾类土和巨粒土中,只有在小的水力坡降下,渗透速
度与水力坡降才呈线性关系,而在较大的水力坡降下,水 在土中的流动进入紊流状态,呈非线性关系,此时达西定 律不能适用,如上图(c)所示,需建立紊流情况下的公 式关系。
3.渗透系数的确定方法:
GD=iγw

*总结:动水力是一个渗透力,是地下水在渗流过程中对
单位体积土骨架所产生的作用力,其大小与水力坡降成正 比,其方向与渗流方向一致。
2.流砂 当水流向下流动时,动水力方向与重力方向一致,使 土颗粒压得更加紧密,对工程有利。反之,当水流向上渗 流时,动水力的方向与重力方向相反。当动水力GD的数值
方法进行施工。
井点降水
3.管涌:在渗流作用下,无粘性土体中的细小颗粒,通

土的渗透性

土的渗透性

第二章土的渗透性一、名词解释渗流:水在能量差的作用下在孔隙通道中流动的现象。

渗透性:水在能量差的作用下在土孔隙通道中渗流的性能。

水力梯度:总水头差Δh 与渗流路径长度L之比,表达式为i=Δh/L。

达西定律:在层流状态下,水在土中的渗透速度与水力梯度成正比关系,表达式为v=ki。

渗透系数:是一个表示土体渗透性强弱的指标,它等于单位水力梯度时的渗透速度,k=v/i。

渗透力:土体中的渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力,它是一种体积力,表达式为F d=γw*i。

临界水力梯度:当水的渗透方向从下向上,竖直向上的渗透力等于土的浮重度时的水力梯度。

渗透破坏:土由于渗流作用而出现的破坏或变形现象,渗透破坏的两种基本类型是流砂和管涌。

二、填空题1.层流正比 2.常水头法变水头法3.流砂管涌 4.自下而上的渗透力超过土的有效重度。

三、简答题1.答案:在向上的渗透水流作用下,在渗流溢出口一定范围内,土颗粒或其集合体浮扬向上移动或涌出的现象叫流砂。

任何类型的土,只要满足水力梯度大于临界水力梯度这一水力条件,就要发生流沙现象。

防止流砂的措施主要有:(1)减小水头差,如采用井点降水措施来人工降低地下水位;(2)增加渗流路径长度,如打钢板桩、制作水泥搅拌桩、设地下连续墙和注浆挡水帷幕。

2.答案:在渗透水流作用下,土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以致被水流带走,随着孔隙不断扩大,渗透速度的不断增加,较粗的颗粒也被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌陷的现象叫管涌。

无粘性土产生管涌的2个必要条件是:(1)几何条件,土中粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒的直径,一般不均匀系数大于10的土中才会发生管涌;(2)水力条件,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动,即渗透水流的水力梯度超过管涌的临界水力梯度。

防止管涌现象,一般可从两个采取措施:(1)改变几何条件,如在渗流溢出部位铺设反虑层;(2)改变水力条件,降低水力梯度,如打板桩。

土力学2.土的渗透性与渗透问题

土力学2.土的渗透性与渗透问题

2.渗透力的计算 考虑水体பைடு நூலகம்离体的平衡条件,可得:
w hw ww J ' w h1 w hw L w j ' L w h1 ( h h L ) w h j w 1 w wi L L
故渗透力 j = j’= w i 从上式可知,渗透力是一种体积力,量纲与w相同。渗透力的大 小和水力坡降成正比,其方向与渗流方向一致。 (二)临界水力坡降 若左端的贮水器不断上提,则h逐渐增大,从而作用在土体中的 渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值,向上的渗透力克服了向下 的重力时,土体就要发生浮起或受到破坏,俗称流土。 土体处于流土 的临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土 时,土柱压在滤网上的压力R=0,故 W’-J-R=0 即 ’L- jL=0 所以 ’ = j = w ic 从而 ic= ’/ w 上式中的ic为临界水力坡降,它是土体开始发生流土破坏时的水力 坡降。
三、层状地基的等效渗透系数 大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的层土所组成,宏观上具有 非均质性。
厚度等效
层状土层
渗透系数等效
单一土层
等效方法: • 等效厚度等于各土层之和。 • 等效渗透系数的大小与水流的方向有关。
层状土的渗流
(一)水平向渗流 水平渗流的特点: (1)各层土中的水力坡降i=(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
的是土样的整个断面积,其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。显然,土粒 本身是不能透水的,故真实的过水面积Av应小于A,从而实际平均流速认应大于v。 一般称v 为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:
Vs= v/n
为了研究的方便,渗流计算中均采用假想的平均流速。

【学习】第二章土的渗透性及渗流

【学习】第二章土的渗透性及渗流

整理课件
§2.2 地下水的运动方式和判别
地下水运动的基本方式
地下水:地下水位以下的重力水。除特殊情况外,地下水 总是处在运动状态之中。
地下水的运动方式的分类: 1、按流线形态:层流、湍流 2、按水流特征随时间的变化状况分为:稳定流运动、非稳流运
动 3、按水流在空间上的分布状况分为:一维流动、二维流动、三
土层的水头总损失 得总渗透量为
h 应为
h
,总的平均水力梯度
i
ii为 hi H i , 则通过整个 i应为 h H ,由达西定律
qy
ky
h H
A
(b)
式中: k y为与层面垂直的土层平 均渗透系数; A 为渗流截面积
通过任一土层的渗流量 为
q iy
ki
hi Hi
A
kiii A
将( b )( c)代入(
s1 .7 9 1 2 0 c2 m /s;当温度T=30摄氏度时, s8.0 1 1 2 0 c2 m /s
根据计算结果 当Re<(2000~2300)时属层流;当Re>(2000~2300)时属湍流。
整理课件
几个重要的概念
水的渗流是由水头势能驱动,从水头高(势能大)的地方流向水头低 (势能小)的地方。
可以说,达西的发现首次从数量上揭示了多 孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关 系,使多孔介质中地下水流计算成为可能。现 代地下水流计算中,几乎所有的经典计算方法 和计算模型,都是直接或间接地由达西定律推 倒而得来。所以可以毫不夸张地说,达西是水 文地质学的奠基人之一,他的实验成果开创了 一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学— —地下水动力学。
维流动
整理课件
地下水运动方式的判别—雷诺数

第二章 土的渗透性

第二章 土的渗透性
第二章 土的性 是土力学的几大重要课题
一、渗透性
土体可被水透过的性质
渗流量问题 研究内容: 渗透破坏问题 渗流控制问题 (提供土的渗 透性指标)
水井渗流示意图
第二章 土的渗透性
2
板桩围护下的基坑渗流
坝身及坝基中的渗流
第二章 土的渗透性 3
地下水的运动形式: 地下水的运动形式:
第二章 土的渗透性 5
q = ki A
υ = ki
(cm / s )
q——单位渗水量 (cm3 / s ) i——水力坡度(水头梯度) 水头差 ∆h
i=
L
渗流长度
K——渗透系数(cm/s) 单位水力坡降(i=1)时的渗流速度 v——断面平均渗流速度(cm/s)
达西定律:水的渗透速度与水头梯度成正比
当J ≥ γ ′
γ ′ = J = iγ w
γ′ icr = γw
γ′ 实际i ≥ icr = 即产生流砂 γw
i ≥ icr
11
第二章 土的渗透性
基坑因流沙破坏
河堤下游流沙
第二章 土的渗透性
12
流沙涌向基坑引起房屋不均匀沉降
第二章 土的渗透性
13
发生土质:细砂、粉砂、粉质粘土 e>0.75~0.80 细砂 d10<0.1mm Cu<5 工程影响:基坑开挖、管道埋设、打井 破坏过程:流砂→表面土体流动→破坏基槽、井壁等, 影响邻近建筑(掏空)
第二章 土的渗透性 6
对粘性土:
v = k(i −ib )
结合水膜的 粘滞阻力
ib---粘性土的起始水力梯度
v = ki
v = k(i −ib )
ib
土的渗透系数与水力梯度的关系

第二章土的渗透性及水的渗流

第二章土的渗透性及水的渗流

上层滞水: 埋藏在地表浅处,局部隔水透镜体 上部,且具有自由水面的地下水。
地下水按埋藏 条件分为:
潜水:埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上 的具有自由水面的地下水。
承压水:是指充满于两个稳定隔水层之间的含 水层中的地下水。
3
2.1 概述
不饱和土 饱和土
毛细水(地下水位以上) 地下水位(潜水)
上层滞水
31
解:(1)B截面上v1=v2
h2 h1
h wB h wA
m
h wC=5m
m
B
m
A
m
C
32

v1

k1i1

k1
(hwB 1) 1

k1 (hwB
1)
(1)

v2

k2i2

k2
hwC
1.2 1.2

hwB
(2)

(1)=(2),hwc=5m,有
hwB

3.8k2 1.2k1 1.2k1 k2
于是,根据有效应力原理,a-a平面上的有效应力为
由此可见,在静水条件下,孔隙水应力等于研究平面上单位面积的 水柱重量,与水深成正比,呈三角形分布; 有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量,与土层深度成 正比,也呈三角形分布,而与超出土面以上静水位的高低无关。
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力
饱和粉土1:i

h l

(2.12
1)
/1
1.12

icr
34
小结
概述
渗流问题
土的渗透性 及渗透规律
渗流中的水头与水力坡降 渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素

土的渗透性及渗透稳定确定

土的渗透性及渗透稳定确定

§2-2 达西定律及其适用范围
可以用粒径来描述Darcy定律的范围
层流(线性流) ——大部分砂土,粉土;疏松的粘土及砂性较 重的粘性土
两种特例
上限:粗粒土 v>vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
下限:粘性土
致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
2.毛细网状水带
位于毛细水带的中部
3.毛细悬挂水
位于毛细水带的上部
土中毛细现象
第二章 土的渗透性及渗透稳定 §2-1 土的毛细性
二、毛细压力
毛细压力:土粒接触面上存在毛 细水,由于土粒表面的润湿作用,使 毛细水形成弯面。在水和空气的分界 面上产生表面张力是沿弯液面切线方 向作用,它促使土粒互相靠拢,在土 粒接触面上产生压力,称为毛细压力
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渗流滑坡
渗流滑坡
第二章 土的渗透性及渗透稳定
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
常水头法仅适用于:透水性较大的砂性土
透水性较小的粘性土
2.室内试验方法2—变水头试验法
(k 10 3cm / s)
试验装置:如图 试验条件: Δh变化,A,L=const 量测变量: Δh ,t
第二章 土的渗透性及渗透稳定 一.渗透试验简介
§2-3 渗透系数及其确定方法

《土力学与地基基础》第二章

《土力学与地基基础》第二章

达西定律只适用于层流 层流: 层流 适用于中砂、细砂、粉砂等 粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。 因为在这些土的孔隙中水的渗流速度较大,已不是层流而是紊流。当水力 梯度较小时,渗流可认为是层流,这时达西定律仍然适用。
Page 18
第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究,主要讨论五个问题 对土渗透性的研究,主要讨论五个问题: 渗流模型; 土中水渗透的基本规律(层流渗透定律) ;影响土渗透性的因素 影响土渗透性的因素;渗透系数及其测定; 渗流力及渗流 影响土渗透性的因素 稳定分析。
土力学与地基基础
康晓惠
第二章 土的渗透性
主要内容: 主要内容: 2.1 概述 2.2 达西渗透定律 2.3 渗透系数的测定 2.4 流网及其工程应用
Page 2
第二章 土的渗透性
2.1 概 述
土是具有连续孔隙通道的物质体系,因而水能在其中流动。 渗透: 渗透:在水位差作用下,水穿过土中相互连通的孔隙发生流动的现象,称为 土中水的渗透(渗流)。 渗透性: 渗透性:土能够让水等流体通过的性质叫土的渗透性。
图3-7 常水头渗透试验
Page 25
第二章 土的渗透性
常水头渗透试验装置
Page 26
第二章 土的渗透性
2.变水头渗透试验
– 土样的截面积A,高度为L – 储水管截面积为a – 试验开始储水管水头为h0 – 经过时间t后降为h1 – 时间dt内水头降低dh,水量为:
dQ=-adh
图3-8 变水头渗透试验
第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究,主要讨论五个问题 对土渗透性的研究,主要讨论五个问题: 渗流模型; 土中水渗透的基本 规律(层流渗透定律);影响土渗透性的因素;渗透系数及其测定; 渗流 力及渗流稳定分析。
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t t+ Δt
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
3. 室内试验方法
条件 已知 测定 算定 取值 适用
常水头试验
Δh=const Δh,A,L
Q,t k QL
Aht
重复试验后,取均值
变水头试验
Δh变化 a,A,L Δh,t k aL ln h1
At h2
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水在土体孔隙中流动的现象
渗流
土体被水透过的性能
渗透性
渗透特性 强度特性 变形特性
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
土的渗透性研究主要包括以下三个方面
渗漏 (渗流量问题) 因渗透而引起的水量损失,影响闸坝蓄水等经济效益。 如:坝、围堰、水库、集水建筑物等。
不同时段试验,取均值
粗粒土
黏性土
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
4. 野外测定方法-抽水试验和注水试验法
观察井
实验方法: 理论依据:
抽水量Q
r2 r r1
A=2πrh i=dh/dr
Q Aki 2rh k dh dr
Q dr 2khdh r
在微观结构上,当孔隙比相同 时,凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
四. 渗透系数的影响因素
干容重 d
土的性质
max
• 粒径大小及构 分散结构
• 矿物成分 • 结构
Wop
含水量 w
渗透系数 k
水的性质
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 四. 渗透系数的影响因素
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构
水的性质
影响孔隙系统的构成和方向性, 对黏性土影响更大
在宏观构造上,天然沉积层状 黏性土层,扁平状黏土颗粒常 呈水平排列,常使k水平﹥k垂直
井 地下水位≈测压管水面
dr dh
h1 h
h2
Q ln r2 r1

k
(h
2 2

h12
)
k

Q
ln(r2 / r1 )
h
2 2

h12
不透水层
优点:可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点:费用较高,耗时较长
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
5.渗透系数的应用
含水量 w
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 四. 渗透系数的影响因素
两种特例
上限:粗粒土 v>vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
下限:黏性土(结合水膜的影响)
致密的黏土 i>i0, v=k(i - i0 )
v vcr o
v
o i0
v k im (m 1)
i
i
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
试验装置:如图 试验条件: Δh变化,A,L=const,a 量测变量: Δh ,t 土试料的透水量=测压管中水下降的体积
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
三.渗透试验简介
渗水量随h的减小而增加
理论依据:
t时刻: Δh Δt dh
流入量:dQ adh 流出量:dQ kiAdt k h Adt L
土的名称 致密黏土 粉质黏土 粉土、裂隙黏土 粉砂、细砂
中砂 粗砂、砾石
渗透系数 (cm/s) <10-7
10-6~10-7 10-4~10-6 10-2~10-4 10-1~10-2 102~10-1
各种土的渗透系数及测定方法
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 四. 渗透系数的影响因素
Darcy 定律:在层流状态的渗流中,渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比。
V ki
k: 反映土的透水性能的比例系数,称为渗透系数 物理意义:水力坡降i=1时的渗流速度 单位:mm/s, cm/s, m/s, m/day
h1 L
水力坡降: i h h1 h2
h2
LL
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
连续性条件: dQ dQ
adh k h Adt
L
t2
h2 aLdh
dt
t1
h1 kAh
dt aLdh kAh
t

t2
t1

aL ln kA
h1 h2
k aL ln h1 At h2
结果整理:
选择几组Δh1, Δh2, t ,计算相应的k,取平均值
QL
V ki
k Aht
h
i
L
适用土类:透水性较大的砂性土 (k 103cm / s)
第二章 土中水的运动规律 §2.1 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
常水头法仅适用于:透水性较大的砂性土
透水性较小的黏性土 2.室内试验方法2—变水头试验法
(k 10 3cm / s)
在静止液体中各点的测管水头相等
位置、压力和测管水头
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
水往低处流
位置:使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
速度v
水往高处“跑”
压力u
流速:水具有的动能 压力:水所具有的压力势能
也可使水流发生流动
水流动的驱动力
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
w 2g
位置水头Z:水体的位置势能(任选基准面) 压力水头u/w:水体的压力势能(u孔隙水压力) 流速水头V2/(2g):水体的动能(对渗流多处于层流≈0)
渗流的总水头: h z u w
也称测管水头,是渗流的
总驱动能,渗流总是从水
头高处流向水头低处
uA w
hA zA
A
B L
基准面
渗流问题的水头
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律

A点总水头:hA
zA
uA
w

B点总水头:hB

z
B

uB
w
• 二点总水头差:反映了
两点间水流由于摩阻力 造成的能量损失
uA w
hA zA
水力坡降线
A
B L
基准面
Δh
uB
w hB zB
h hA hB
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构
水的性质
是单位土体中孔隙体积的直接 度量
对于砂性土,常建立孔隙比e
与渗透系数k之间的关系,如:
k f ( e2 ) k f ( e2 )
1e k f ( e3 )
1e
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 四. 渗透系数的影响因素
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
板桩墙 基坑
A
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动,应满 足液体流动的三大基本方 程:连续性方程、能量方 程、动量方程
渗流中的水头与水力坡降
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
总水头:单位重量水体所具有的能量 h z u v2
影响因素
k f (土粒特性、流体特性)
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构
水的动力黏滞系数 饱和度(含气量)
—对k影响很大,封闭气泡
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 四. 渗透系数的影响因素
土的性质
• 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构
渗透稳定(渗透变形问题): 土的稳定性受到渗流破坏,土体颗粒流失,关系工程成 败。如:水工建筑物地基、挡水建筑物等。
渗流控制问题: 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时,要研究如何采 取工程措施进行渗流控制。
渗流模型: 1、不考虑渗流路径的迂回曲折,只分析它的主 要流向;
2、不考虑土体中颗粒的影响,认为孔隙和土粒 所占的空间之和均为渗流所充满。
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 三.渗透试验简介
1. 室内试验方法1—常水头试验法
试验装置:如图 试验条件: Δh,A,L=const 量测变量: Q,t 结果整理
Q qt
q vA
第二章 土中水的运动规律
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
土是一种碎散的多孔介质, 其孔隙在空间互相连通。当 饱和土中的两点存在能量差 时,水就在土的孔隙中从能 量高的点向能量低的点流动
渗流 土颗粒 土中水
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等流体透过的性质称为土的渗透性
土体中的渗流
• 水力坡降 i:单位渗流长度上的水头损失 i h
L
水力坡降
第二章 土的渗透性
§2.2 土的渗透试验和达西定律
一.Darcy定律
水在土中渗透的基本规律
二.Darcy定律的适用范围
三.渗透试验简介
四.影响渗透系数的因素 五.层状地基的等效渗透系数
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