土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律ppt課件

1、第二章第二章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律n概述 n土的滲透性n二維滲流及流網(wǎng) n土的毛細(xì)性及土的凍脹 本章重點(diǎn)：滲透定律、滲透系數(shù)、動(dòng)水力及流砂現(xiàn)象本章重點(diǎn)：滲透定律、滲透系數(shù)、動(dòng)水力及流砂現(xiàn)象 2.1 土的滲透問題概述土的滲透問題概述浸潤線浸潤線流線流線等勢(shì)線等勢(shì)線下游下游上游上游土壩蓄水后水透土壩蓄水后水透過壩身流向下游過壩身流向下游浸透浸透自由水在水位差作用下，發(fā)生從土內(nèi)孔隙中透過的自由水在水位差作用下，發(fā)生從土內(nèi)孔隙中透過的現(xiàn)象現(xiàn)象 H隧道開挖時(shí)，地下隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)水向隧道內(nèi)流動(dòng) 研究滲流主要解決兩類問題研究滲流主要解決兩類問題 滲流量計(jì)算問題：滲流量計(jì)算問題：深

2、基坑開挖排水問題深基坑開挖排水問題 滲流穩(wěn)定與滲流控制滲流穩(wěn)定與滲流控制問題：產(chǎn)生滲透變形，問題：產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞，如道路甚至滲透破壞，如道路邊坡破壞、堤壩失穩(wěn)、邊坡破壞、堤壩失穩(wěn)、地面隆起等地面隆起等 2.2 土的滲透性土的滲透性 n一、達(dá)西定律一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲透結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度速度與試樣的水力梯度成正比成正比滲透試驗(yàn)播放滲透試驗(yàn)播放達(dá)西定律達(dá)西定律 V=Kh/L=KiV=Kh/L=KiKK滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，cm/s cm/s ii水力梯度，即沿滲流方水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失向

3、單位距離的水頭損失 hh2h1討論：討論：1 1公式適用于層流情況，一般適用于中、細(xì)、粉砂土；公式適用于層流情況，一般適用于中、細(xì)、粉砂土； 2 2在粘土中應(yīng)按修正后的達(dá)西定律考慮起始水頭梯高在粘土中應(yīng)按修正后的達(dá)西定律考慮起始水頭梯高 ioio計(jì)算。計(jì)算。 V=KV=Ki-ioi-io）。）。密實(shí)的粘土，需要克密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透后才能發(fā)生滲透; ;同同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系定律而呈非線性關(guān)系 起始水起始水力坡降力坡降i0v=kiivO O砂土砂土0iv密實(shí)粘土密實(shí)粘土虛直線虛

4、直線簡化簡化)(0iikv礫土礫土二二 滲透系數(shù)及其確定方法滲透系數(shù)及其確定方法LhkAtQq時(shí)間時(shí)間t t內(nèi)流出的水量內(nèi)流出的水量hAtQLk1.常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)整個(gè)試整個(gè)試驗(yàn)過程中水頭保持不變，適用驗(yàn)過程中水頭保持不變，適用于透水性大砂土于透水性大砂土k10-3cm/s）。）。 hh2h1測(cè)定滲透系數(shù)方法測(cè)定滲透系數(shù)方法試驗(yàn)室測(cè)定試驗(yàn)室測(cè)定: :常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn) 變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn) 現(xiàn)場抽水試驗(yàn)現(xiàn)場抽水試驗(yàn) 2變水頭滲透試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化 適用于適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土。截面截面 面積面積a a任一時(shí)刻任一時(shí)刻t t的水頭差為的水頭差為h h，經(jīng)時(shí)段，經(jīng)時(shí)段

5、dtdt后，細(xì)玻璃管中水位降落后，細(xì)玻璃管中水位降落dhdh，在時(shí)段在時(shí)段dtdt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(nèi)流經(jīng)試樣的水量 dQ=adh 在時(shí)段在時(shí)段dtdt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(nèi)流經(jīng)試樣的水量 dQ=kiAdt=kAdth/L管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量 adh=kAh/Ldt 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk分離變量分離變量 積分得積分得 212212)/ln(hhrrqK3 3現(xiàn)場抽水試驗(yàn)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)不易取得原狀土室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)不易取得原狀土樣，或者土樣不能反映天然土層的層次或土顆粒排列情樣，或者土樣不能反映天然土層的層次或土顆粒排列情況時(shí)況

6、時(shí)圖2-6 現(xiàn)場抽水試驗(yàn)非承壓完整井還有其它幾種形式？水平向滲流時(shí)水平向滲流時(shí)Kh Kh I=I1 = I2 I=I1 = I2 q=q1+q2 q=q1+q2 F=F1+F2=1F=F1+F2=1h1+1h1+1h2=h1+h2h2=h1+h2 Kh =Kihi/hi Kh =Kihi/hi 受滲透系數(shù)最大的土層控制受滲透系數(shù)最大的土層控制 豎直向滲流時(shí) KV q =q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 KV=Kihi/(hi/KI) 受滲透系數(shù)最小的土層控制h1 h2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h24成層土的滲透系數(shù)成層土的滲透系數(shù)（1 1土的礦物成分：蒙脫石含量土的礦

7、物成分：蒙脫石含量，或有機(jī)質(zhì)，或有機(jī)質(zhì)，則，則KK（2 2粒度成分：粗粒度成分：粗，渾圓，渾圓均勻均勻則則KK（3 3結(jié)合水膜厚度結(jié)合水膜厚度,K,K；厚度；厚度，KK（4 4土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造：黃土土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造：黃土KVKnKVKn，夾砂粘土，夾砂粘土KVKnKVKn（5 5水的沾滯度水的沾滯度tt：溫度：溫度TT，RtRt應(yīng)進(jìn)行修正，以應(yīng)進(jìn)行修正，以1010水水 為標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)值K20: K20: K20=kTT/20K20=kTT/205 5 影響滲透性的因素影響滲透性的因素T、20分別為T和20時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表 （6土中氣體：含密閉氣泡土中氣體：含密閉氣泡，Kn【例

8、】 設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30，試求試樣的滲透系數(shù) 【解答】已知試樣截面積已知試樣截面積A=30cmA=30cm，滲徑長度，滲徑長度L=4cmL=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積 222cm1256. 044 . 014. 34dah1=160cm，h2=52cm，t=900s 試樣在試樣在3030時(shí)的滲透系數(shù)時(shí)的滲透系數(shù) cm/s1009. 252160lg9003041256. 03 . 2lg3 . 252112

9、30hhttAaLk三三 滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象 1.滲流力滲流力GD水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱為滲流力，也稱動(dòng)水力為滲流力，也稱動(dòng)水力 h2h1h21L水流流經(jīng)這段水流流經(jīng)這段土體，受到土土體，受到土顆粒的阻力，顆粒的阻力，阻力引起的水阻力引起的水頭損失為頭損失為h h土粒對(duì)水流的阻力應(yīng)為土粒對(duì)水流的阻力應(yīng)為 wwLAG wTLAhATwwwwwAhTLAGAh1水柱隔離體平衡條件水柱隔離體平衡條件 水柱重力水柱重力 土顆粒對(duì)水總的阻力土顆粒對(duì)水總的阻力 iTGD滲透力是一種體積力，其大小與水滲透力是一種體積力，其大小與

10、水力坡降成正比，作用方向與滲流方力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為向一致，單位為kN/m3 kN/m3 （矢量）（矢量）2.流砂、管涌與臨界水頭梯度流砂、管涌與臨界水頭梯度流 砂流 砂 當(dāng) 向 上 的當(dāng) 向 上 的 G D 與 土 的 浮 重 度 相 等 時(shí) ， 即與 土 的 浮 重 度 相 等 時(shí) ， 即GD=I= =sat-，這時(shí)土顆間的壓力等于零，土顆粒將處于，這時(shí)土顆間的壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，該現(xiàn)象稱為流砂。懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，該現(xiàn)象稱為流砂。臨界水力坡降臨界水力坡降( (梯度梯度)土在水下的浮重度土在水下的浮重度GG為為，當(dāng)向上的滲流力，當(dāng)向上的滲流力

11、GDGD與土的浮重度相等時(shí)，其水力與土的浮重度相等時(shí)，其水力坡降即為臨界水力坡降坡降即為臨界水力坡降工程中，將土的臨界水力坡工程中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)降除以某一安全系數(shù)Fs(2Fs(23)3)，作為允許水力坡降，作為允許水力坡降ii。scrFiiiGGDDGG crwiwwsatwcrieGiscr11或或n管涌管涌水在砂性土中滲流時(shí)，土中的一些細(xì)小顆粒在動(dòng)水作用水在砂性土中滲流時(shí)，土中的一些細(xì)小顆粒在動(dòng)水作用下，可能通過粗顆粒的孔隙被水帶走的現(xiàn)象。下，可能通過粗顆粒的孔隙被水帶走的現(xiàn)象。討論：討論：1 1 流砂發(fā)生在土體表面滲流逸出處，不發(fā)生在土流砂發(fā)生在土體表面滲流逸出處，

12、不發(fā)生在土體內(nèi)部，而管涌兩者都可能發(fā)生。體內(nèi)部，而管涌兩者都可能發(fā)生。 2 2 流砂主要發(fā)生于細(xì)、粉砂及粉質(zhì)粘土中，而在流砂主要發(fā)生于細(xì)、粉砂及粉質(zhì)粘土中，而在粗顆粒土及粘土中不易發(fā)生。粗顆粒土及粘土中不易發(fā)生。 3 3 管涌的臨界水頭梯度與土的顆粒大小及其級(jí)配管涌的臨界水頭梯度與土的顆粒大小及其級(jí)配情況有關(guān)。不均勻系數(shù)情況有關(guān)。不均勻系數(shù) CuCu，則，則IcrIcr，圖，圖2-102-10圖2-10 流砂引起破壞示例a)基坑因流砂失穩(wěn) b)河堤覆蓋層下流砂涌出a)b)圖2-11 例2-1圍護(hù)結(jié)構(gòu)坑底hw【解】發(fā)生流砂的條件為臨界水頭梯度因維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入坑底4m，故水滲流路徑長:兩側(cè)水頭差為故

13、承壓水位上升后的高度m【例2-1】某基坑開挖深8m見圖2-11），地基中存在粉土層，其飽和重度為20kN/m3，在一場爆雨后，坑底發(fā)生了向上涌砂的流砂現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)粉土層中存在承壓水，試估算這時(shí)承壓水頭為多高？crII LhIcrm10m6m4LmmLLhwwsatw1010)1020(10)(8)46(hhw流砂現(xiàn)象的防治原則是：流砂現(xiàn)象的防治原則是：減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點(diǎn)降減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點(diǎn)降水法降低地下水位或水下挖掘；水法降低地下水位或水下挖掘；增長滲流路徑，如打板樁；增長滲流路徑，如打板樁；鋼板樁鋼板樁原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位

14、面一級(jí)抽水后水位一級(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位多級(jí)井點(diǎn)降水多級(jí)井點(diǎn)降水在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；重以平衡滲流力；土層處理，減小土的滲透系數(shù)，如凍結(jié)法、注漿法等土層處理，減小土的滲透系數(shù)，如凍結(jié)法、注漿法等 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設(shè)置反濾層設(shè)置反濾層 23 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) n一、二維滲流方程及流網(wǎng)的特征一、二維滲流方程及流網(wǎng)的特征n 1 二維滲流方程二維滲流方程02222yhkxhkyx流網(wǎng)流網(wǎng)是由一組流線和一組等勢(shì)線互相正交組成是由一組流線和一組等勢(shì)線互

15、相正交組成的網(wǎng)格。的網(wǎng)格。 在穩(wěn)定滲流場中，流線表示水質(zhì)點(diǎn)的流在穩(wěn)定滲流場中，流線表示水質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)路線，流線上任一點(diǎn)的切線方向就是流速矢量的動(dòng)路線，流線上任一點(diǎn)的切線方向就是流速矢量的方向。等勢(shì)線是滲流場中勢(shì)能或水頭的等值線。方向。等勢(shì)線是滲流場中勢(shì)能或水頭的等值線。 圖2-12 平面流網(wǎng)示意圖aili流線流線等勢(shì)線等勢(shì)線2流網(wǎng)的特征流網(wǎng)的特征1)流線與等勢(shì)線互相正交。流線與等勢(shì)線互相正交。2)流線與等勢(shì)線構(gòu)成的各個(gè)流線與等勢(shì)線構(gòu)成的各個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)。當(dāng)長寬網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)。當(dāng)長寬比為比為1時(shí)，網(wǎng)格為曲邊正方形。時(shí)，網(wǎng)格為曲邊正方形。3)相鄰等勢(shì)線之間的水頭損相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相

16、等。失相等。4)各個(gè)流槽即各相鄰兩流各個(gè)流槽即各相鄰兩流線間的滲流量相等。線間的滲流量相等。 流網(wǎng)中等勢(shì)線越密的部位、水力梯度越大，流線越密流網(wǎng)中等勢(shì)線越密的部位、水力梯度越大，流線越密的部位流速越大。的部位流速越大。圖2-12 平面流網(wǎng)示意圖ailih二二 流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 按一定比例繪出結(jié)構(gòu)物和土層的剖面圖。1流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制判定邊界條件，圖中aa和bb為等勢(shì)線邊界(透水面)；acb、ss為流線邊界不透水面）。先試?yán)L若干條流線(應(yīng)相互平行，不交叉且是緩和曲線)；流線應(yīng)與進(jìn)水面aa）、出水面(bb)正交，并與不透水面(流線ss)不交叉。加繪等勢(shì)線。須與流線正交，且每個(gè)滲流

17、區(qū)的形狀接近“方塊”。圖2-12 平面流網(wǎng)示意圖ailih2流網(wǎng)應(yīng)用流網(wǎng)應(yīng)用idiiilhNlhi1idiilhNkkIv1idiiiilNkhaavq1hlaNNkqNqQiidfifiwwihu1)1)相鄰等勢(shì)線間的水頭損失相鄰等勢(shì)線間的水頭損失hihi。2)2)各網(wǎng)格水力梯度各網(wǎng)格水力梯度iiiidiNhh 各網(wǎng)格的滲透速度各網(wǎng)格的滲透速度vi為為3單位滲流量單位滲流量q總滲流量為總滲流量為 4)任意點(diǎn)的孔隙水壓力任意點(diǎn)的孔隙水壓力ui等勢(shì)線的等勢(shì)線的間隔數(shù)間隔數(shù) 等勢(shì)線寬等勢(shì)線寬圖2-12 平面流網(wǎng)示意圖ailih流槽數(shù)流槽數(shù)一一 土層中的毛細(xì)水土層中的毛細(xì)水土中水的運(yùn)動(dòng)形式：土中水的運(yùn)動(dòng)形式：5種種土的毛細(xì)現(xiàn)象土的毛細(xì)現(xiàn)象指土中水在表面張力作用下，沿指土中水在表面張力作用下，沿著孔隙向著孔隙向上及其他方向移動(dòng)的現(xiàn)象。上及其他方向移動(dòng)的