土力学与基础工程第二章-土中水的运动规律.ppt

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1、土力学与基础工程SoilMechanicsandFoundationEngineering讲课老师汤连生教授13809773663714051028第二章土中水的运动规律§2.1概述§2.2渗透理论§2.3流网及其工程应用§2.4土中渗流的作用力及渗透变形学习目标：掌握土的渗透定律与渗透力计算方法具备对地基渗透变形进行正确分析的能力基本要求：1.掌握土的渗透定律2.了解二维渗流及流网绘制3.熟悉土中渗流量计算4.掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析第一节概述地基土以及某些土工建筑物本身(如土坝)是由颗粒状或碎

2、块固体材料组成的多孔隙介质，其内部包含着许多互相连通的孔隙或裂隙。存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中的这些孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。土中的自由水可分为毛细水和重力水。毛细水位于地下水位以上的土孔隙中，它是由于水-气界面表面张力的作用，地下水沿着不规则的孔隙和裂隙上升而形成的。毛细水既受重力作用还受表面张力引起的毛细力作用，两者达到平衡后在地下水位以上形成稳定的毛细饱水区，毛细饱水区的形成将可能使地基土浸湿或产生冻胀而影响其承载能力和稳定性。重力水位于地下水位以下的土孔隙中，它受

3、重力作用的控制，能对土体产生浮力，在透水土层中还能在水力梯度作用下发生流动而形成渗流。本章研究的就是土中重力水的运动规津。不同的土具有不同的透水能力，主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定。土的透水性定量指标是渗透系数，渗透系数值愈大，表示上的透水能力愈强。土层中所有各点在同一方向的透水能力相同时，称为均质土层，否则称为非均质土层。土层中任一点处各个方向的透水能力相同时，称为各向同性土层，否则称为各向异性土层。在许多实际工程中都会遇到渗流问题。如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖的基坑等。闸基渗流基坑渗流

4、图2-1(a)是水利工程中常见的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基的地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。图2-1（b）为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。在这些渗流问题中，通常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性。当渗流的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增大。渗透力的增大将导致土体发生渗透变形，并可能危及建筑物或周围设施的安全。因此，在工程设计与施工

5、中，应正确分析可能出现的渗流情况，必要时采取合理的防渗技术措施。土坝，高90m，长1000m，1975年建成，次年6月失事渗透破坏：冲蚀水力劈裂美国Teton坝失事现场现状原因沟后面板砂砾石坝位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993年8月7日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳广州京广广场基坑塌方珠海祖国广场基坑失事第二节渗透理论一、渗透模型实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙，由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流

6、水质点的运动轨迹很不规则，如右图所示。图2-2(a)水在土孔隙中的运动考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型，如图2-2(b)所示。图2-2(b)理想化的渗流模型为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：(1)在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的

7、流量；(2)在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；(3)在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。建立渗流模型后，即可采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析。真实渗流与渗流模型中平均流速的关系：渗流模型：真实渗流：n

8、指模型的平均流速。式中，i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于梯度为1时水的渗透速度，cm/s。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。1.达西渗透实验与达西定律达西（1856年）分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比，即或二、达西（Darcy）渗透定律达西实验的装置①：直立圆筒。横截面积为A，上端开口。在