第二章 土中的水及其流动ppt课件.ppt

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1、第二章土中的水及其流动2.1概述2.2渗透力和渗透变形1一、渗透的工程背景渗透(流):在水位差作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。石坝浸润线透水层不透水层土坝蓄水后水透过坝身流向下游1.土坝蓄水后水透过坝身流向下游第一节概述2透水层不透水层基坑板桩墙2.渗流对基坑开挖的影响上图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。33.隧道开挖时，地下水向隧道内流动4.渗流对边坡稳定的影

2、响4＊典型事故2003年7月1日凌晨发生的上海轨道交通4号线塌方事故，直接经济损失1.5亿元左右，3栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌。事故发生段为地铁董家渡段的两条隧道之间的一条狭小连接通道，即旁通道，靠黄浦江260米处。事故发生原因：（1）竖井与旁通道的开挖顺序错误；（2）冷冻设备出现故障导致温度回升；（3）地下承压水导致喷沙。三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。典型事故5678二、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,

3、导致渗流水质点的运动轨迹很不规则,如右图所示。9对渗流作如下二方面的简化：•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。渗流模型10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)流量相等：在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；(2)压力相等：在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；(3)阻力相等：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

4、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11水在土中流动遵从水力学的连续方程和能量方程。一、土中渗流的总水头和水力坡降伯努利方程：h=z+hw+hv根据能量方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头h为：动水头hv与流速的平方成正比，由于水在土中渗流的速度一般很小，hv可以忽略不计。第二节渗透力和渗透变形12总水头差Δh为水力梯度i─也叫水力梯度或水力坡降，即沿渗流方向单位流程的水头损失。L（流程）13二、达西渗透定律试验装置1

5、、达西渗透实验装置1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究①直立圆筒。横截面积为A，上端开口。在圆筒侧壁装有两支相距为L的侧压管。②滤板。滤板上填放颗粒均匀的砂土。③：溢水管。水由上端注入圆筒，多余的水从此溢出，使筒内水位维持一恒定值。④：短水管。渗透过滤板的水从此流入⑤。⑤量杯。计算渗流量q。同时读取断面1-1和断面2-2处的侧压管水头值h1、h2，得到两断面之间的水头损失△h=(L+h1)-h2142、达西定律达西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

6、及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比或式中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。v=kiivO砂土153、达西定律的适用范围达西定律是由砂质土体(中砂、细砂、粉砂等)实验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。进一步的研究表明，在某些条件下，渗透并不一定符合达西定律，因此在实际工作中还要注意达西定律的适用范围。大量试验表明:(1)当渗透速度较小时，渗透的沿程

7、水头损失与流速的一次方成正比。在一般情况下，砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动—层流，渗流运动规律符合达西定律，渗透速度v与水力梯度i的关系可在v-i坐标系中表示成一条直线，如图(a)所示。(2)粗颗粒土(如砾、卵石等)的试验结果如图(b)所示。由于其孔隙很大，当水力梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，v-i关系成线性变化，达西定律仍然适用。当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式—紊流，v-i关系呈非线性变化，达西定律不再适用。

8、16土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib,只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。17三、渗透系数及其测定渗透系数k是评价土的渗透性的指标。k值大的土，渗透性强，反之，渗透性弱。1.渗透系数的实用意义2.渗透系数的影响因素⑴土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径小，渗透系数小；级配好，渗透系数小；在含水量相同的情况下，蒙脱石的渗透系数比高岭石的小，伊利石的渗透系数居于两