第二章 土的渗透性和渗流问题(1-2节).ppt

第二章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土的渗透问题主要研究三个内容：渗流量问题、渗透变形问题和渗流控制问题。 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流；土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。 第二节 土的渗透性 一、达西定律（一维渗流计算）? （一）渗流中的总水头与水力坡降 按照伯努里方程有： 式中， h为液流中某一点的总水头(m)；z为位置水头(m)；u 为水压力(kN/m2)，?w为水的容重(kN/m3)； 压力水头(m) ；v为渗流流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)； 为流速水头(m)。 对图 2－2表示的渗流，A、B两点的总水头可分别表示为： 两者之间的关系为 式中， 为A、B二点间的总水头差。 式中： ZA和ZB代表单位重量液体所具有的位能即位置水头。 uA和uB分别为A和B两点的孔隙水压力(kN/m2)，代表单位重量液体所具有的压力势能。uA/?w和uB/?w分别代表A、B两点孔隙水压力的水柱高度，称为压力水头。 vA和vB分别为A点和B点处的渗流流速(m/s)。v2/(2g)代表单位重量液体所具有的动能即流速水头。 hA和hB分别代表A点和B点单位重量液体所具有的总机械能即总水头。 位置水头与压力水头之和 称为测管水头。 水力坡降为单位渗流长度上的水头损失，即 式中，i为水力坡降；L为A、B两点间的渗流途径长度；?h为通过渗流长度为L时的水头损失。 （二）渗透试验与达西定律(1856) 达西定律表达式： 或 式中， Q为渗出水流量[L3 T-1]；A为过水断面积[L2]；i为水力坡降[L L-1] ；v为断面平均渗透速度[L T-1]；k为土的渗透系数[L T-1]。 式中，vs为实际平均流速；v为达西流速； n为孔隙率。 （三）达西定律的适用范围 达西定律描述了层流状态下渗透流速与水头损失之间的关系规律，即在层流范围内渗流速度v与水力坡降i呈线性关系。 1)在很粗的土中的渗流 临界流速vcr=0.3~0.5cm/s。在vvcr后达西定律可修改为： 2)在粘性很强的致密土体中的渗流 式中，截距i0称为起始坡降。 密实粘土颗粒的周围具有较厚的结合水膜，它占据了土体内部的过水通道，渗流只有在较大的水力坡降作用下，挤开结合水膜的堵塞才能发生。起始水力坡降i0是用以克服结合水膜阻力所消耗的能量。i= i0就是达西定律适用的下限。 二、渗透系数的测定和影响因素 （一）渗透系数的测定方法 1.常水头实验室测定法（透水性大的砂性土） 设过水截面为A、试样长度为L、水头差为?h、渗出流量Q、一定时间t内流经试样的水量为V，则 根据达西定律 ，代入上式得： 因此 2.变水头实验室测定法（渗透性小的粘性土） 设某一时刻作用于试样两端的水头差为?h，经过dt时段后，断面积为a的玻璃管中的水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为： 根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为： A—试样断面积；L—试样长度 根据水流连续原理有 即 设试验的起始水头差为?h1，经过时间t后，终了水头差为?h2。对上式两边积分得： 3.现场井孔抽水试验 围绕井轴取一过水断面，设该断面距井中心距离为r，水面高度为h，则过水断面积A为 该过水断面上各处水力坡降等于地下水位线在该处的坡度，即 根据达西定律，单位时间自井内抽出的水量为 等式两边积分得 则 （二）影响渗透系数的因素 影响k值主要因素包括：粒径大小与级配、 孔隙比、矿物成分、结构、饱和度以及渗透水的性质。 粒径大小和孔隙比对k的影响最大； 膨胀性粘土以及Na+降低土的渗透系数； 凝聚结构的粘性土比分散结构具有更大的透水性。天然沉积的层状粘性土层，其水平方向的透水性远大于垂直层面方向的透水性； 土体中的气体既可减少有效渗透面积，又可堵塞孔隙通道，从而降低渗透系数； 不同温度的水的粘滞度不同。温度高时，其粘滞性较小，因此k值较大；反之k值较小。《土工试验操作规程SD128－84》规定，测定渗透系数时以10℃作为标准温度，不是 10℃时要作温度校正。 三、层状地基的等效渗透系数 为简单起见，把几个土层等效为厚度等于各上层之和、渗透系数为等效渗透系数的单一土层。 （－）水平渗流情况 水平渗流的特点是： 1）各层土中的水力坡降（ ）与等效土层的平均水力坡降i相同。 2）垂直x-z面取单位宽度，通过总土层厚度H的总渗流量等于各层土渗流量之和，即 将达西定律代入式（2－21）可得 消去i后，即可得出沿水平方向的等效渗透系数kx (二)竖直渗流情况 垂直渗流的特点： 1）根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速相同，即 2