土力学第三章土的渗透性ppt课件

渗透力
• 渗透力J： 指渗透水流对土颗粒的作用力。 方向：与渗透水流的运动方向一致。
• 单位体积渗透力j： 指总渗透力与试样体积之比。 方向：与总渗透力的方向一致。
j

J V
单位体积渗透力-1
• 土粒对水流的阻力： 水要流过试样，必须克服整个试样内土粒对水流的 阻力所引起的水头损失h， 这时土粒对水流阻力为：F=hA
单位体积渗透力-2
• 总渗透力： 由于土中水的渗透速度很小，流动水体的惯性力可以 不计，根据平衡条件，渗流作用于试样的总渗透力J就 等于试样中土粒对水流的阻力F，只是方向相反，即： J= F=hA
• 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。
• 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 总应力、有效应力和孔隙水压力之间存在关系。
有效应力原理
• 有效应力原理： 指土体在外荷载作用下， 孔隙水压力和有效应力之和始终等于总应力。 孔隙水压力增加，必然引起有效应力减小； 孔隙水压力减小，必然引起有效应力增大， 增加的量和减小的量相等。
有效应力=0
总应力=h1+sath2
孔隙水应力u=h1+h2-h
则有效应力=-u=h2+h
• 与静水条件下比较：
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h， 而有效应力增加h。
稳定渗流条件下的有效应力原理-2
• 渗流从下到上： • 在a-a平面上：
土的渗透性的概念
• 水的渗透： 指水在水力坡降的作用下，流过土中连通孔隙的现象。
• 土的渗透性： 指土体具有让水透过的性能。
• 水力坡降： 指土体两端的水头与要流过的土体厚度之比。
• 水要在土体中发生流动，必须达到一定的水力坡降。
砂土的达西定律
• 砂土的达西定律：
当水流处于层流状态时，
砂土的渗透速度与水力坡降成正比。
• 变水头试验：
k QL Aht
在试验过程中水头不断变化，适用于细粒土。
测定水头下降一定高度所需要的时间计算渗透系数。
k2.3 aL logh1 A(t2t1) h2
渗透试验简图
• 常水头试验： 试验过程中，h保持不变
• 变水头试验： 试验过程中， h随时间变化（下降）
h
a h1
a
h2
b
b
• 讨论： 1）有效应力与土深成正比，而与水深无关，它是土 柱的有效重量（因为水下的土粒受到水的浮力作用 ，其重量按浮容重计算），成三角形分布； 2）孔隙水应力与水深成正比，也成三角形分布。
稳定渗
孔隙水应力u=h1 则总应力=+u=h1 • 在b-b平面上：
• 说明： 1）如果成层土的厚度大致相同，而渗透系数又相 差比较大的情况下，水平方向的渗透系数取决于透 水性最大一层的渗透系数； 2）垂直方向的渗透系数则取决于最不透水一层的 渗透系数。
有效应力和孔隙水压力
• 外荷载分担： 外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部 分由孔隙水承担，一部分由孔隙气体承担。 对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。
渗流作用下的有效应力原理
• 静水条件下的有效应力：
等于土体的浮容重乘以水头高度。h2
• 稳定渗流条件下的有效应力：
渗流从上到下：
有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再加上
水的容重乘以水头高度。
渗流从下到上：
h2h
有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再减去
水的容重乘以水头高度。h2h
土的透水性划分
• 根据渗透系数的大小，土的透水性划分为三类： 强透水性土：k>10-2cm/s
中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s 弱透水性土：k<10-6cm/s
• 实际工程中，根据实际部位的要求，选择相应透 水性的土体。
成层土的渗透性
• 因为土实际上是成层分布的，所以存在着平行层理 方向和垂直层理方向的渗透系数。
孔隙水应力u=h1 则总应力=+u=h1 • 在b-b平面上：
有效应力=0
总应力=h1+sath2 孔隙水应力u=h1+h2+h 则有效应力=-u=h2-h • 与静水条件比较：
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力增加h， 有效应力等量减小h。
• 起始水力坡降ib： 由于粘性土的颗粒之间存在连接力所致。
• 粘性土的渗透性： 相同水力坡降条件下，水在砂土中可以流动， 而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降时才流动
渗透系数的测定
• 试验方法：
常水头试验、变水头试验
• 常水头试验：
在试验过程中水头始终保持不变，适用于粗粒土。
测定在一定时间内流出的水量计算渗透系数。
y
水平
0
H1 q1 i1 k1 H2 q2 i2 k2 H3 q3 i3 k3
垂直
x
平行层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）各层的水力坡降相等，即i= i1= i2； 2）总渗流量等于各分层流量之和，即q= q1+ q2 则两层土的水平向渗透系数为：
• n层土的渗透系数：
u
计算简图
• 分析a-a、b-b水平面上的总应力、孔隙水应力和有
效应力
• 渗流方向：
1）不发生渗流 h=0
2）从上往下 h<0
h
3）从下往上 h>0
a h1
a
h2
b
b
静水条件下的有效应力原理
• b-b平面上的应力： 总应力为： =h1+sath2 孔隙水应力为： u=h1+h2 则有效应力为： =-u= sath2-h2=h2
v kik h
• 砂土的渗透性：
L
砂土颗粒较粗，颗粒之间不存在连接力，
只要存在水力坡降，水在砂土中就会发生流动。
• 渗透系数：
指水力坡降等于1时的渗透速度。
反映土体渗透性的大小。
粘性土的达西定律
• 粘性土的达西定律： 当水流处于层流状态时， 粘性土的渗透速度与水力坡降成正比。
vk(iib)
垂直层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）总水头等于两部分水头损失之和， 即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2； 2）各层的渗流量相等，即q=q1=q2。 则两层土的垂直向渗透系数为：
• n层土的渗透系数：
讨论
• 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数 kx> ky