土力学与地基基础 教学课件 作者 姜晨光 主编第3章 地球土中的渗流问题.ppt

《土力学与地基基础 教学课件 作者 姜晨光 主编第3章 地球土中的渗流问题.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章地球土中的渗流问题3.1地球土中的渗流特征地球上的土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空间是相互连通的。饱和土中水会充满整个孔隙，若土中不同位置存在水位差则土中水就会在水位能作用下从高水位（即能量高）位置向低水位（即能量低）位置流动，液体（比如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象被称为渗透，土体具有被液体（比如土中水）透过的性质被称为土的渗透性或透水性，液体（比如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透水性介质（比如水工建筑物）中的流动问题被称为渗流。非饱和土的渗透性较复杂、工程实用性较小，其规律尚不清楚而有待进一步的研

2、究。目前，土的渗透性、土的强度、土的变形特性是土力学的几个核心问题，土的强度、变形、渗流是相互关联、相互影响的，土木工程领域内的许多工程实践都与土的渗透性密切相关，土的渗透性研究主要应解决渗流量、渗透破坏、渗流控制等3方面问题。当代许多基坑失稳事故很多都是因渗透破坏而引发。土木工程与渗流控制有关的问题也很多，当渗流量或渗透变形不满足设计要求时就应研究和采取工程措施进行渗流控制。不难理解，水在土体中的渗流一方面会引起水头损失（或基坑积水）并影响工程效益和进度；另一方面会引起土体变形而改变构筑物或地基的稳定条件并直接影响工程安全，研

3、究土的渗透规律及其与工程的关系具有重要意义。3.2地球土体渗流的基本理论3.2.1地球土的层流渗透定律由于地球土体中孔隙一般都非常微小且很曲折，故水在土体流动过程中粘滞阻力会很大、流速也会非常缓慢，故多数情况下其流动状态表现为层流特征（即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流），法国科学家达西（H.Darcy）1855利用图3-2-1所示的试验装置对均匀砂进行了大量渗透试验得出了层流条件下土中水渗透速度与能量（水头）损失之间关系（即土的渗流规律，也称达西定律）。达西在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中发现，单

4、位时间内的渗出水量q与水力梯度i和圆筒断面积A成正比（且与土的透水性质有关），即q∝[（Δh/L）A]，将其写成等式则有Q=ikA（3-2-1）或v=q/A=ik（3-2-2）式（3-2-1）、（3-2-2）中，q为单位渗水量、单位为cm3/s；v为断面平均渗透速度、单位为cm/s；i为水力梯度（表示单位渗流长度上的水头损失或称水力坡降，i=v/k）；k为反映土的透水性的比例系数（称为土的渗透系数。k相当于水力梯度i=1时的渗透速度，故其量纲与渗透速度相同也为cm/s）。式（3-2-1）或式（3-2-2）即为达西定律表达式。3.

5、2.2土的渗透试验与渗透系数前述渗透系数k是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数，k只能通过试验直接测定，目前k的测定方法主要有室内渗透试验和现场试验2大类。室内测定土的渗透系数k的仪器和方法较多，但试验原理不外乎2种（即常水头法和变水头法）。粘性土由于渗透系数很小，故流经试样的水量很少而难以直接准确量测，为此，应采用变水头法。现场测定渗透系数k常采用现场井孔抽水试验或井孔注水试验方法，均质粗粒土层用现场抽水试验测出的k值往往要比室内试验更为可靠。天然沉积土大多是由渗透性不同的土层所组成的，具有宏观上

6、的非均质性。对平面问题以及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已知时可容易地求出整个土层以及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。3.3二维渗流与流网本书3.2介绍的渗流属简单边界条件下的一维渗流并可用达西定律进行渗流计算。实际工程中边界条件常常非常复杂（比如围堰工程中的渗流，其水流形态往往是二维或三维的），其介质内的流动特性也逐点不同而不能再视其为一维渗流，此时的达西定律需要采用微分形式，求解也应考虑边界条件。二维渗流的连续条件板桩墙围堰的流网绘制3.3.1二维渗流及其渗流方程当渗流场中

7、水头及流速等渗流要素不随时间改变时这种渗流即为稳定渗流。假定水体不可压缩，根据水流连续原理，单位时间流入和流出微分单元的水量应相等，即式（3-3-2）就是著名的拉普拉斯方程（也是平面稳定渗流的基本方程）。只要求解一定边界条件下的渗流方程即可得到该条件下的渗流场。3.3.2流网的特征及绘制方法式（3-3-2）表明渗流场内任一点水头是其坐标的函数，只要知道了水头分布即可确定渗流场的其它特征。目前求解拉普拉斯方程（即式（3-3-2））一般有4类方法，即数学解析法、数值解法、电模拟法、图解法。图解法以其简便、快速、实用性强的特点得以在工

8、程中广泛应用，所谓图解法就是用绘制流网的方法求解拉普拉斯方程的近似解。（1）流网的基本特征流网是由流线和等势线组成的曲线正交网格。稳定渗流场中的流线表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势能或水头的等值线。（3-3-2）