土力学2.土的渗透性与渗透问题
土力学 第2章 土的渗透性

n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v
vs
v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
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。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土:近似适用: v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0:起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1,利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k,然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点:设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点:取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土,导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗,延长渗径;下 游通畅渗透水流,减小渗透压力,防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例:
2003年7月1日,上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故,防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数,通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义:在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中
发生移动并被带出的现象。 长期管涌破坏土的结构,最终导致土体内形成贯通的渗流 管道,造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件
《土力学》 2 土的渗透性

土力学2土的渗透性《土力学》第二章 土的渗透性一.概念1. 渗流:在水位差作用下,水穿过土中的相互连通的孔隙发生流动的现象。
2. 土的渗透性:土体被水透过的性质,称为土的渗透性。
二.达西定律水在砂土中流动,为层流,渗流速度与土样两端的水头差成正比,而与渗径长度成反比,即渗透速度与水力坡降成正比。
表达式ki Lhkv == 注意:(1)层流状态(2)L :渗径长度是流动路径而非水平距离 (3)V 与i 线性关系(4)A :为垂直于渗流方向的土样截面积,V 为全断面平均流速三.达西定律适用范围(1)只适用于层流状态:砂类土,粉土,疏松的粘土 (2)对于密实的粘土 (3)对于某些粗粒土第二节 渗透系数的测定一.测定方法试坑注水法:非饱和土现场渗透实验抽水法:饱和土常水头试验 室内渗透实验 变水头试验(一) 常水头实验法:保持水头在整个实验过程中不变适用:透水性较强的粗粒土;hAtVLk =(二)变水头试验:2112)(h h l t t A al k n -=或 2112lg )(3.2h h t t A al k -=渗透系数K 作用: ⑴判断土的渗透性⑵选择坝体填筑土料的依据 ⑶坝身,坝茎,渠道等渗水量⑷分析堤坝,基坑边坡的渗透稳定性 ⑸粘土地基的况降历时二.影响因素(一) 土粒大小与级配愈粗,愈均匀,愈浑圆,k 则愈大 细粒土颗粒愈细,粘粒愈多,k 愈小(二) 土的密实度土愈密实,孔隙比愈小,k 愈小(三) 水的温度:水的动力粘滞系数随温度升高减小,k 大2020ηηt tk k = (四) 封闭气体含量渗透面积减小,k 降低为了试验的可靠性,要求土样必须充分饱和思考:1、达西定律的含义是什么?适用于什么情况?2、为何选用不同的渗透试验方法?各适用于什么情况?3、渗透力对土的稳定性有何影响?为何渗透力与体积有关?第三节 渗流作用下的应力状态一.有效应力原理孔隙水应力U=总应力:σ=σ/+U 有效应力:σ/二.静水条件下土中的孔隙水应力U 与有效应力σ/a-a 面:孔隙水应力U=γw (h 1+h 2)总应力:作用在a-a 单位面积上土水重力的合力 σ=γw h 1+γsat h 2据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为:σ/=σ+U=(γw h 1+γsat h 2)- γw (h 1+h 2)= (γsat -γw ) h 2=γ/h 2三.稳定渗透下土中的U 和σ/ (一) 渗流条件下U 与σ/1. 渗流入口处发生向下渗流情况溢流坝地基在上、下游水位差作用下发生渗流的情况 a 点处:总应力: σ=γw h 1+γsat h 2孔隙水应力U=γw (h 1+h 2-h)据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为:σ/=σ+U=(γw h 1+γsat h 2)- γw (h 1+h 2-h)=γ/h 2+γw h 2、渗流出逸处发生向上渗流情况b 点处:总应力: σ=γw h /1+γsat h /2 孔隙水应力U=γw (h /1+h /2+h /)据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为:σ/=σ+U=(γw h /1+γsat h /2)- γw (h /1+h /2+h /)= γ/h /2-γw h /(二) 渗透力渗透力:渗流作用在单位土体中的颗粒上的作用力i lhj w wγγ==渗流进口处:渗透力增大了土有效的作用,对土体稳定有利; 水平部位:使土粒产生向下游移动的趋势,对土体稳定不利; 出逸处:渗透力减轻了土有效重力的作用,对土体的稳定不利:第四节渗透变形土体的渗透变形实质上是由于渗透力的作用而引起的。
第2章 土的渗透性与渗透变形

d s 1 2.68 1 icr 0.92 1 e 1 0.82
[i ] icr 0.92 0.37 K 2 .5
允许水力坡降
由于实际水力坡降i <[i],故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏
31
渗流工程问题与防治措施
渗流工程问题
土力学中与渗透有关的几个重要内容
土体固结的速度 边坡、挡土墙、堤坝的抗滑稳定性 地下施工时的降水 土坝的抗渗透破坏稳定性
3
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 土石坝 浸润线
透水层
不透水层
4
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层
不透水层
5
水井渗流
Q
天然水面 透水层
不透水层
6
渠道渗流
渗流时地下水位
Qx k xiH
ix
Q
i 1
n
k1iH1 k2iH 2 kniH n
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
20
2.垂直渗透系数
Qy
根据水流连续定理,通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量
H1
H2 H
k1
k2 k3
Q1y
Q2y Q3y
管内减少水量=流经试样水量
-adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
南55渗透仪·
16
3.现场实验——现场抽水实验
以不变的速率连续抽水,形成降水漏斗 假定:水流为水平流向 流向水井的渗流过水断面为同心圆柱面
地下水进入抽水井的流量与抽 水量相等且维持稳定时,测定 相关数据,计算土层平均k
土力学课件 2.土的渗透性与渗透问题

2.1 土的渗透定律渗定律2.2 渗透系数及其测定22渗透系数及其测定2.3 渗透力与渗透变形土的渗透问题概述浸润线上游土坝蓄水后水透过下游坝身流向下游流线等势线H隧道开挖时,地下水向隧道内流动水在土孔隙通道中流动的现象叫做水的;土可以被水透过的性质水在土孔隙通道中流动的现象,叫做水的渗流;土可以被水透过的性质,称为土的渗透性或透水性。
212.1土的渗透定律一、土中渗流的总水头差和水力梯度、土中渗流的总水头差和水力梯度vw h h z h ++=伯努利方程v u AA2gz h w A 21++=γv2gu z h Bw BB 22++=γhh h Δ=−21h ΔLi =达定律二、达西定律1856年法国学者Darcy 对砂土的渗透性进行研究qv A=v=ki达西定律'v A ==vq vA'A v v v ==v A n三达西定律适用范围与起始水力坡降三、达西定律适用范围与起始水力坡降讨论:砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系v=ki v密实的粘土,需要克服结合水的粘滞阻力后才能发0生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系i砂土v虚直线简化达西定律适用于层−=i b流,不适用于紊流i密实粘土)(b i i k v 起始水力坡降2.2 渗透系数及其测定一、渗透试验(室内)1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大)的土适用于透水性大(k >10-3cm/s )的土,例如砂土。
Athk kiAt qt 时间t内流出的水量LQ ===QL hAtk=2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差,渗透系数小的截面面积a任一时刻t 的水头差为h ,经时段后细玻璃管中水位降落粘性土dt 后,细玻璃管中水位降落dh ,在时段dt 内流经试样的水量=-dQ adh在时段dt 内流经试样的水量dQ =kiAdt =kAh/Ldt1h aL=管内减少水量=流经试样水量()212lnh t t A k −dh 积-adh=kAh/Ldt分离变量dtaL kA h=−分二、渗透试验(原位)在现场打口试验井并安装z 在现场打一口试验井,并安装好抽水机具z 距井中心r 1、r 2处打两个观测水位的观测孔z 在井内不断抽水,并观测另两个观测孔的水位高度h 1、h 2,同时记录单位时间内的排水量2r )()ln(21221h h r q k −=π假定z 水沿水平方向流向抽水孔rh A π2=z 过水断面积上各点i 相等drdh i =dhdrdrrhkrhv Av q ππ22===khdh r q π2=22dr h r =)(ln 22122211h h k r q hdh k r q h r −=∫∫ππ1r 2ln r q ⎟⎟⎞⎜⎜⎛()21221h h r k −⎠⎝=π三影响渗透系数的因数三、影响渗透系数的因数z 土颗粒的粒径、级配和矿物成分z 土的孔隙比或孔隙率z 土的结构和构造z 土的饱和度z 水的动力粘滞度动力粘滞系数随水温发生明显的变化。
土力学2.土的渗透性与渗透问题

水力坡降 由于渗流过程中存在能量损失,测管水头线沿渗流方向下降。两 点间的水头损失,可用一无量纲的形式来表示,即
i=h/L
i 称为水力坡降,L为两点间的渗流路径,
水力坡降的物理意义为单位渗流长度上的水头损失。
(二) 达西定律与渗透试验 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类 型及长度的土样所进行的试验发现,渗出量 Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比,且 与土的透水性质有关。即
在渗透水流作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动.以 至流失;随着土的孔隙不断扩大,渗透流速不断增加.较粗的颗粒也相 继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌 陷,这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程,是一种渐进 性质的破坏。管涌发生在一定级配的无粘性土中,发生的部位可以在渗 流逸出处,也可以在土体内部,故也称之为渗流的潜蚀现象 土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒 组成和结构,即几何条件;外因是水力条件,即作用于土体渗透力的大小。 1.流土可能性的判别 任何土,包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处,只要满 足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实,均要发生流土。 可按下列条件,判别流土的可能性: 若 i < ic 土体处于稳定状态 i > ic 土体发中流土破坏 i = ic 土体处于临界状态
土的渗透系数范围
土的类型 砾石、粗砂 中 砂 细纱、粉沙 粉土 粉质粘土 粘 土 渗透系数 k(cm/s) a×10-1 ~ a×10-2 a×10-2 ~ a×10-3 a×10-3 ~ a×10-4 a×10-4 ~ a×10-6 a×10-6 ~ a×10-7 a×10-7 ~ a×10-10
2.管涌可能性的判别 土是发生管涌,首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外). 只会发生流土而不会发生管涌,故属于非管涌土;无粘性土中产生管涌 必须具备下列两个条件。 (1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径,才可能让细 颗粒在其中移动,这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件,
土力学与地基基础-第二章土的渗透性图文

2h x2
2h y 2
0(各向异性:kx
2h x2
ky
2h y 2
0)
上式就是著名的拉普拉斯(Laplace)方程,它是描述稳定渗流的基本方程式。
二、流网及其特征
就渗流问题来说,一组曲线称为等势线,在任一条等势线上各点的总水 头是相等的;另一组曲线称为流线,它们代表渗流的方向。等势线和流线交 织在一起形成的网格叫流网。
得出:流量Q与过水面积A和水头 (h1-h2)成正比与渗透路径L成反比,
即达西定律: Q kA h1 h2 vA kiA l
达西渗透实验装置
二、达西渗透定律
达西定律是由砂质土体实验得到的,后来推广应用于其他土体如粘土和具有细 裂隙的岩石等。
①砂土、一般粘土
②颗粒极细的粘土
细粒土的v-i关系
经验估算法
●1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:
K d2 10
●1955年,太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:
K 2d 2 e2 10
成层土的渗透系数(补充)
天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的 简单渗流情况,当各土层的渗透系数和厚度为已知时,我们可求出整个土层 与层面平行和垂直的平均渗透系数,作为进行渗流计算的依据。
v k h ki l
是单位时间内流过单位土截面积的水量,
i—水头梯度或水力坡降。
k—渗透系数,cm/s。
由于土体中的孔隙一般非常微小,水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速
缓慢,因此,其流动状态大多属于层流。
二、达西渗透定律
达西渗透实验
装置中①是面积为A的直立圆筒,其侧壁装有 两支相距为L的侧压管。滤板②填放颗粒均匀 的砂土。水由上端注入圆筒,多余的水从溢 水管③溢出,使筒内的水位维持恒定。渗透 过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中,并以 此来计算渗流量Q。
土的渗透性和渗流问题

第二篇 土力学第四章 土的渗透性和渗流问题第一节 概述土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的,而土中的孔隙具有连续的性质,当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时,水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。
渗透:在水头差作用下,水透过土体孔隙的现象渗透性:土允许水透过的性能称为土的渗透性。
水在土体中渗透,一方面会造成水量损失,影响工程效益;另一方面将引起土体内部应力状态的变化,从而改变水土建筑物或地基的稳定条件,甚者还会酿成破坏事故。
此外,土的渗透性的强弱,对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。
本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律,以及渗透力渗透变形等问题。
第二节 土的渗透性一、土的渗透规律——达西定律(一)渗流中的总水头与水力坡降液体流动的连续性原理:(方程式)dw v dw v w w ⎰⎰=2211 2211v w v w =1221w w v v = 表明:通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的;或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。
前提:流体是连续介质流体是不可压缩的;流体是稳定流,且流体不能通过流面流进或流出该元流。
理想重力的能量方程式(伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。
)c gv r p Z =++22饱和土体空隙中的渗透水流,也遵从伯努利方程,并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。
水头:实际上就是单位重量水体所具有的能量。
按照伯努利方程,液流中一点的总水头h ,可以用位置水头Z ,压力水头U/r w 和流速水 头V 2/2g 之和表示,即gv r u Z h w 22++= 4-1 此方程式中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能,而其量纲都是 长度。
教材P37图22表示渗流在水中流经A ,B 两点时,各种水头的相互关系。
按照公式(4-1),A,B 两点的总水头可分别表示为:gv r u Z h A w A A A 22++= gv r u Z h B w B B B 22++= h h h B A ∆+=式中:Z A ,Z B :为A ,B ,两点相对于任意选定的基准面的高度,代表单位重量液体 所具有的位能(位置高度)故称Z 为位置水头。
《土力学》教案——第二章 土的渗透性和渗透问题

教学内容设计及安排第一节达西定律【基本内容】渗透——在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象。
渗透性——土具有被水透过的性能。
一、达西定律v =ki =k Lh或用渗流量表示为q =vA =kiA式中 v ――渗透速度,cm/s 或m/d ;q ――渗流量,cm 3/s 或m 3/d ;i =h /L ――水力坡降(水力梯度),即沿渗流方向单位距离的水头损失,无因次; h ――试样两端的水头差,cm 或m ; L ――渗径长度;cm 或m ;k ――渗透系数,cm/s 或m/d ;其物理意义是当水力梯度i 等于1时的渗透速度; A ――试样截面积,cm 2或m 2。
【注意】由上式求出的v 是一种假想的平均流速,假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。
水在土体中的实际平均流速要比达西定律采用的假想平均流速大。
二、达西定律的适用范围与起始水力坡降对于密实的粘土:由于结合水具有较大的粘滞阻力,只有当水力梯度达到某一数值,克服了结合水的粘滞阻力后才能发生渗透。
起始水力梯度――使粘性土开始发生渗透时的水力坡降。
(a ) 砂土 (b ) 密实粘土 (c )砾石、卵石粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系,如图(b )中的实线所示,常用虚直线来描述密实粘土的渗透规律。
()b i i k v -= (2-3)式中 i b ――密实粘土的起始水力坡降;对于粗粒土中(如砾、卵石等):在较小的i 下,v 与i 才呈线性关系,当渗透速度超过临界流速v cr 时,水在土中的流动进入紊流状态,渗透速度与水力坡降呈非线性关系,如图(c )所示,此时,达西定律不能适用。
第二节 渗透系数及其确定方法【基本内容】一、渗透试验1.常水头试验常水头试验适用于透水性大(k >10-3cm/s )的土,例如砂土。
常水头试验就是在整个试验过程中,水头保持不变。
试验时测出某时间间隔t 内流过试样的总水量V ,根据达西定律At LhkkiAt qt V === 即 hAtVL k =2.变水头试验粘性土由于渗透系数很小,流经试样的总水量也很小,不易准确测定。
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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。
(三)达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律,即渗 流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中,绝 大多数渗流,无论是发生砂土中或一般的粘性土中,均届于层流范围, 故达西定律均可适用。 二、渗透系数的测定和影响因素 渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标,也是渗流计算时 必须用到的一个基本参数。不同种类的土,A值差别很大。因此,准确地 测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (一)渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。
在渗透水流作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动.以 至流失;随着土的孔隙不断扩大,渗透流速不断增加.较粗的颗粒也相 继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌 陷,这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程,是一种渐进 性质的破坏。管涌发生在一定级配的无粘性土中,发生的部位可以在渗 流逸出处,也可以在土体内部,故也称之为渗流的潜蚀现象 土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒 组成和结构,即几何条件;外因是水力条件,即作用于土体渗透力的大小。 1.流土可能性的判别 任何土,包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处,只要满 足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实,均要发生流土。 可按下列条件,判别流土的可能性: 若 i < ic 土体处于稳定状态 i > ic 土体发中流土破坏 i = ic 土体处于临界状态
已知土的浮容重’
'
则ic为
(Gs 1) w 1 e G 1 ic s 1 e
式中Gs、e分别为土粒比重及土的孔隙比。由此可知,流土的临界水力 坡降取决于土的物理性质。 二、土的渗透变形(或称渗透破坏)
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形
(或称渗透破坏)。如土层剥落,地面隆起,细颗放被水带出以及出现 集中渗流通道等。 (一)渗透变形的类型 土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。 1.流土 在向上的渗透水流作用下,表层土局部范围内的土体或颗粒群同时 发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小,都会 发生流土破坏。
h h1 h2 h3 hi (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和,即
i 1 n
将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz:
kz
H n hi k i 1 i
四、渗透力和渗透变形 (一)渗透力 实验验证 当hl=h2时,土中水处于静止状态,无渗流发生, 贮水器向上提升,使hl> h2,由于存在水头差.土中产生向上的渗 流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给 以阻力;反之.渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力, 称之为渗透力,可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,用 j 表示。
为了研究的方便,常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。
水头:单位重量水体所具有的能量。 按照伯努里方程,液流中一点的总水头
由三部分组成:
1. 位置水头 z 2. 压力水头 u/w 3. 流速水头 v2/2g
测管水头:位置水头与压力水头之和 h= z+ u/w
测管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能
设饱和土体内某一研究平面的 总面积为A,其中粒间接触面积之 和为As ,则该平面内由孔隙水所占 面积为 Aw =A-As.若由外荷(和/或 自重)在该研究平面上所引起的法 向总应力为,如图所示,那么,它 必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同来分担,即该面上的总法向 力等于孔隙水所承担的力和粒间所 承担的力之和,于是可以写成:
Q A h L
写成等式为:
Q k Ai
v
Q ki A
上式称为达西定律。
式中,v——断面平均渗透速度,单位mm/s或m/day; k——反映土的透水性能的比例系数,称为土的渗透系数。它相当于水力 坡降i=1时的渗透速度,故其量纲与流速相同,mm/s或m/day。
渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用
可用管涌的水力坡降表示。
流土现象发生在土体表面渗流渗出处,不发生在土体内部。而管涌 现象可以发生在渗流逸出处,也可以发生于土体的内部。
有效应力原理(K.Terzaghi,1936) 一、有效应力原理的基本概念 (一) 饱和土中的两种应力形态 饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成的两相体, 当外力作用于土体后一部分由土骨架承担,并通过颗粒之间的接触面 进行应力的传递.称之为粒间应力;另一部分则由孔隙中的水来承担, 水虽然不能承担剪应力,但却能承受法向应力.并且可以通过连通的 孔隙水传递,这部分水压力称为孔隙水压力。 有效应力原理就是 研究饱和土中这两种应力的不同性质和它们与总应力的关系。 (二) 有效应力原理要点 有效应力原理主要内容可归纳为如下两点: 1.饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水 压力两部分,其间关系总是满足: =‘ 十 u —— 土中任意面上的总应力; ‘ ——土骨架的承受的粒间应力,称有效应力; u —— 孔隙水承受的压力,称孔隙水压力(静水压力和超静水压力)。
水力坡降 由于渗流过程中存在能量损失,测管水头线沿渗流方向下降。两 点间的水头损失,可用一无量纲的形式来表示,即
i=h/L
i 称为水力坡降,L为两点间的渗流路径,
水力坡降的物理意义为单位渗流长度上的水头损失。
(二) 达西定律与渗透试验 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类 型及长度的土样所进行的试验发现,渗出量 Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比,且 与土的透水性质有关。即
n (2)垂直x-z面取单位宽度,通过等效土层H的总渗流量等于各层土
渗流量之和,即
q x q1x q2 x q3 x qix
i 1
将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx: 1 n k x ki H i H i 1 (二)竖直向渗流 竖直渗流的特点: (1)根据水流连续原理,流经各土层的流速与流经等效土层的流速 v1 v2 v 3 v 相同,即
2.管涌可能性的判别 土是发生管涌,首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外). 只会发生流土而不会发生管涌,故属于非管涌土;无粘性土中产生管涌 必须具备下列两个条件。 (1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径,才可能让细 颗粒在其中移动,这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件,
渗透破坏试验
渗透力概念
1.土体受力分析
方法一 取土—水为整体作为隔离体, 则作用在土柱上的力: (1) 土—水总重星 W=satL; (2) 土柱两端的边界水压力 w hw和w h1; (3) 土柱下部滤网的支 承反力R。 在此种条件下,土粒与水之间的作 用力为内力,在土柱的受力分析中 不出现。
1.实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多,但从试验原理上大
体可分为常水头法和变水头法两种。 2.现场测定法 现场研究场地的渗透性,进行渗透系数k值测定时,常用现场并孔抽 水试验或井孔注水试验的方法。
常水头试验
适用于测定透水性 大的砂性土的渗透系数。
变水头试验
适用于测定渗透性 很小的粘性土的渗透系 数。由于粘性土的渗透 水量很少,用常水头试 验不易准确测定。 (二)影响渗透系数的因素 1.土的性质对k值的影响 (1)粒径大小与级配;(2)孔隙比;(3)矿物成分;(4)结构;(5)饱和度。 尤以前两项,即粒径大小和孔隙比对k 的影响最大。 2.渗透水的性质对k值的影响 水的性质对渗透系数k 值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温 度高时,水的粘滞性降低, k值变大:反之k值变小。
第二章 土的渗透性与渗透问题。
渗透研究的内容: 1. 渗流量问题。 2. 渗透变形(渗透破坏)问题 3. 渗流控制问题
土的渗透性
一、土的渗透定律 —— 达西定律(H.Darcy,1856) (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动必须满足的条件: 连续原理 液流的能量方程,即伯努里(D.Bernoulli)方程