土的渗透性和渗流问题.ppt

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1、2土的渗透性和渗流问题渗流(seepage)?由于土是具有连续孔隙的介质，当饱和土中两点存在着能量差时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水在土体孔隙中流动的现象就叫做渗流。渗透性(permeability)?土具有被水等液体透过的性质叫渗透性。土的渗透性同土的强度和变形特性一样，是土力学研究的主要力学性质之一。在岩土工程的许多领域，都涉及到土的渗透性。土力学主要研究以下两个方面的渗透问题：1.渗透量的计算问题。（1）在渠道输水工程中首先会需要对渗漏水量进行估计。一般的渠道约有40~60%的水

2、漏走了。（2）水库的渗透量问题：天开水库，1959年建成，5000万m3畜水量，但自建成以来就是干水库。（3）基坑开挖的渗水量与排水量计算。（4）水井的供水量估算。2.渗透变形问题流经土体的水流会对土颗粒或土体施加作用力，称为渗透力（seepageforce）。渗透力较大时会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物或地基的渗透变形。土石坝失事的1/3~1/4均是因渗透变形引起的。基坑开挖支护中因渗透变形而造成事故的例子早已屡见不鲜，因此我们应给以足够的重视。2.1土的渗透定律一、土的渗透试验和达西定律1.各种水头的概念及水力坡降。水头(wat

3、erhead)：单位重量水体所具有的能量。渗流中一点的总水头h可用下式表示：h=z+(2-1)式中等号右侧的三项分别为位置水头、压力水头和流速水头，它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能*。测管水头？位置水头与压力水头之和z+u/γw。它代表单位重量液体所具有的总势能。由于土中渗流阻力大，渗流速度v一般都很小，可以忽略不计，因此h=z+u/γw。注意：土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差，若hA≠hB时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动(但水并非一定向低处流)。水力坡降，水力梯度（hydraulicgradient）

4、？i=Δh/L，渗流流过单位长度时的水头损失。2.达西定律管内水流动的两种形式？流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为层流。若水流动时，相邻的两个质点流线相交，流动时将出现漩涡，这种流动称为紊流。土体中水的流速很小可看作为层流。法国工程师(H.Darcy)1856年通过右图所示的试验装置，对均匀砂土进行了大量的试验，得到了层流条件下，砂土中水的渗流运动规律。即著名的达西定律：v=kiorQ=Av=kAi(2-3)其中k是一个重要参数，称为土的渗透系数。它相当于水力坡降i=1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。3.达西定律的

5、讨论(1)渗透速度v并不是土孔隙中水的实际平均速度，因为公式推导中采用的是试样的整个断面积A，其中包含了土粒骨架所占的部分面积在内。真实的过水面积AV小于A，因而实际平均流速vs应大于v。一般称v为假想渗流速度。水流应当连续：A·v=Av·vs=vs·nA，∴vs=v/n。其实vs也并非渗流的真实速度。对工程有直接意义的还是宏观的流速（假想渗流速度）v。(2)达西定律的适用范围前面讲过管内水流分两种：层流与紊流，通常达西定律只适用于层流范围。在岩土工程中，发生在砂土的大部分渗流，以及部分粘土中的渗流，均属于层流范围，此时达西定律均可适用。但在很

6、粗的砾石中，存在界限速度vcr=0.3~0.5cm/s。当v>vcr时，发生紊流，如右图所示。此时达西定律须经过以下修正才能适用：v=kim(m<1)(2-5)ivcrvo对于粘性很大的密实粘土，有一起始坡降i0，当ii0时，水流挤开结合水膜的堵塞，渗流才能发生。如右下图所示。voi0i粘土颗粒渗流结合水膜二、渗透系数的测定及影响因素1.渗透系数的测定方法：常水头法—适用于粗

7、粒土室内变水头法—适用于细粒土压水（注水）试验室外(重要工程)抽水试验(1)对于常水头试验，在试验中只要测出t时间内流经试样的水量V，则：(2-7)(2)变水头试验在试验过程中水头差一直在随时间变化。试验时向细玻璃管注入一定量的水，记录起始水头差Δh1，开动秒表，经过t时间后，再记录此时的水头差Δh2。根据流入与流出土样的水量相等，以及达西定律，可以求出渗透系数k的计算式。(2-8)(3)现场抽水试验下图为一现场井孔抽水试验示意图。在现场打一口试验井，贯穿要测定k值的土层，另外在距试验井不同距离处打一个或两个观测孔。图2-6现场抽水试验在试验井

8、中连续抽水，待出水量和各井孔的水位稳定后，就会形成一个以抽水井为轴心的漏斗状的地下水面。假设水流方向是水平的，则渗流过水断面就是一系列的同心圆柱面，任