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《土力學(xué) 第2章 土的滲透性與滲流》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院土力學(xué)授課者劉忠玉第二章土的滲透性與滲流第一節(jié)概述第二節(jié)土的滲透性與達西定律第三節(jié)滲透系數(shù)的測定及其影響因素第四節(jié)二維滲流、流網(wǎng)及工程應(yīng)用第五節(jié)滲流力與滲透破壞第一節(jié)土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時,地下水向隧道內(nèi)流動在水位差作用下,水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透(permeability)或滲流(seepage)閘基滲流模擬基坑滲流模擬第二節(jié)土的滲透性與達西定律一、地下水的運動方式1。層流和湍流2。穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流3。單向流動,二維流動和
2、三維流動二、水頭和水力坡降的概念三、達西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進行研究結(jié)論:水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達西定律i-水力梯度(hydraulicgradient),即沿滲流方向單位距離的水頭損失k-滲透系數(shù)(permeabilitycoefficient)v-滲透速度(seepagevelocity),非真實流速四、達西定律適用范圍與起始水頭坡降達西定律討論:1.砂土的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系2.密實的粘土,需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系
3、數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關(guān)系ib計算起始水力坡降虛直線簡化v=kiivO砂土0iv密實粘土在礫類土和巨粒土中,若水頭梯度較大,水在其中的流動大多是紊流狀態(tài),呈非線性關(guān)系;只有在較小的水頭梯度時,才可能是線性的達西定律適用于飽和砂土、層流,不適用于紊流0iv礫土第三節(jié)滲透系數(shù)的測定及影響因素一、滲透試驗(室內(nèi))時間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變適用于透水性大(k>10-3cm/s)的土,例如砂土。2、變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化截面面積a任一
4、時刻t的水頭差為h,經(jīng)時段dt后,細玻璃管中水位降落dh,在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量dQ=-adh在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt管內(nèi)減少水量=流經(jīng)試樣水量-adh=kAh/Ldt分離變量積分適用于透水性差,滲透系數(shù)小的粘性土二、現(xiàn)場抽水試驗根據(jù)井底土層情況可分為二種類型,井底鉆至不透水層時稱為完整井,井底未鉆至不透水層時稱非完整井無壓完整井無壓非完整井三、影響滲透系數(shù)的因素1.土粒大小與級配細粒含量愈多,土的滲透性愈小,例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時,砂土的滲透系數(shù)就會大大減小
5、。2.土的密實度3.水的動力粘滯系數(shù)同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù),土的密實度增大,孔隙比降低,土的滲透性也減小。動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高,水的動力粘滯系數(shù)愈小,土的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體阻塞滲流通道,使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多,土的滲透性愈小。?T、?20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù),可查表四、成層土的滲透性第四節(jié)二維滲流、流網(wǎng)及工程應(yīng)用一、穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程勢函數(shù),流函數(shù),均滿足拉普拉斯方程等勢線,流線,互相垂直二、平面
6、滲流的流網(wǎng)解法三、流網(wǎng)的工程應(yīng)用任意兩等勢線間的水頭差滲流速度單寬流量孔隙水壓力第五節(jié)滲流力與滲流破壞1、滲流力和臨界水頭梯度滲流力(seepageforce)——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個測壓管,測壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體,受到土顆粒的阻力,阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應(yīng)為土樣面積根據(jù)牛頓第三定律,試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等,方向相反滲流作用于單位土體的力說明:滲流力j是滲流對單位土體的作用力,是一種體積力,其大小與水力坡降成正比
7、,作用方向與滲流方向一致,單位為kN/m3滲透力的存在,將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化,這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響滲透力方向與重力一致,促使土體壓密、強度提高,有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平,使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢,對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反,當(dāng)滲透力大于土體的有效重度,土粒將被水流沖出2、滲透變形(seepagedeformation)滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動,導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題(流土,管涌)(1)流土(soilflow,floatingearth,qu
8、icksand)——在滲流作用下,局部土體表面隆起,或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處,不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象,屬于流土破壞。細砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞(2)管涌(piping)或潛蝕(suffosion)——在滲流作用下,無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的孔隙,發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象土體在滲透水流作用下,細小顆粒被帶出,孔隙逐漸增大,形成能穿越地基的細管