西南交大土力學(xué)課件

1、12.1 概述概述2.2 達(dá)西定律達(dá)西定律2.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)2.4 流沙、管涌流沙、管涌第二章第二章 土的滲透性及水的滲流土的滲透性及水的滲流2.5在靜水和有滲流情況下的在靜水和有滲流情況下的 孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力2土中水結(jié)合水自由水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合自由水重力水毛細(xì)水自由水地下水位以下，土顆粒電分子引力范圍以外，僅在本身重力作用下運(yùn)動的水2.1 概述概述3 地下水按埋藏地下水按埋藏條件分為：條件分為：潛水潛水：埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上 的具有自由水面的地下水。上層滯水上層滯水： 埋藏在地表淺處，局部隔水透鏡體 上部，且具有自由水面的地下水。承壓水承壓水：是指充

2、滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含 水層中的地下水。2.1 概述概述4不飽和土不飽和土上層滯水上層滯水潛水潛水承壓水承壓水毛細(xì)水（地下水位以上毛細(xì)水（地下水位以上)地下水位地下水位(潛水）潛水）飽和土飽和土2.1 概述概述5 滲透由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用，水就會透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動。 滲透性土具有被水透過的性能稱為土的滲透性。2.1 概述概述62.2 達(dá)西定律達(dá)西定律一、伯努里定理（能量守恒原理）一、伯努里定理（能量守恒原理）2w2vuzhg 常數(shù)wuzh（位置水頭）（壓力水頭）（總水頭）（位置水頭）（壓力水頭）（總水頭）位置水頭位置水頭z：從基準(zhǔn)面到計 算點(diǎn)的高度。

3、壓力水頭壓力水頭：測壓管中水位高?？偹^總水頭h：從基準(zhǔn)面到測壓管 上部水位高。水頭損失水頭損失 = h1-h2u 靜水壓力靜水壓力72.2 達(dá)西定律達(dá)西定律二、達(dá)西定律二、達(dá)西定律流速流速v與水力梯度與水力梯度 i 成正比成正比v = k i式中：式中：i水頭梯度：單位流程的水頭損失。水頭梯度：單位流程的水頭損失。his水頭損失滲流路線長k滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，cm/s，表示水通過的難易程度，可由試驗(yàn)確定。，表示水通過的難易程度，可由試驗(yàn)確定。v水在土中的滲透速度，水在土中的滲透速度，cm/s，是在單位時間內(nèi)通過單位土，是在單位時間內(nèi)通過單位土截面截面(cm2)的水量的水量Q（cm3),即即

4、v =Q/(At)82.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)確定滲透系數(shù)確定滲透系數(shù)K 的方法的方法室內(nèi)滲透試驗(yàn)變水頭滲透試驗(yàn)變水頭滲透試驗(yàn)常水頭滲透試驗(yàn)常水頭滲透試驗(yàn)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值：各種土的滲透系數(shù)參考值各種土的滲透系數(shù)參考值92.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)一、常水頭滲透試驗(yàn)一、常水頭滲透試驗(yàn)常水頭滲透試驗(yàn)AlhkkiAvAtQq所以所以式中：式中：q單位時間的透水量, cm3/s Q透水量, cm3 t 透水時間,s v 滲流速度, cm/s A透水?dāng)嗝娣e, cm2h 水位差，cml 滲流路線長, cmk滲透系數(shù), cm/si水力坡度)/()/()(AhtQlAitQk102.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)二、變水頭

5、滲透試驗(yàn)二、變水頭滲透試驗(yàn)變水頭滲透試驗(yàn))( dhaAdtlhk2121hhtthdhadtlAk211212loglog)(hhahhattlAkee211012log)(3 . 2hhttAalK所以土試料的透水量=測壓管中水下降的體積11地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面井井抽水量抽水量Qr1Rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層觀察井觀察井2.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)三、現(xiàn)場抽水試驗(yàn)三、現(xiàn)場抽水試驗(yàn))2(rhdrdhkQdrdhkrhq)2(由達(dá)西定律)(log212212hhkrrqe所以現(xiàn)場抽水試驗(yàn)21212hhrrhdhkrdrq有12102122log)(3 . 2rrhhqk

6、122.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 某水平堆積而成的成層土的層厚自上而下分別為H1、H2、Hn，垂直透水系數(shù)分別是kz1、kz2、 kzn，水平透水系數(shù)分別是kx1、kx2、kxn，如果上下面的總水頭差是h試根據(jù)圖（試根據(jù)圖（a a）niizizhhqq1,試根據(jù)圖（試根據(jù)圖（b b）niixxixixqqhhii1),(求垂直透水時總垂直透水系數(shù)求垂直透水時總垂直透水系數(shù)k kz z提示：提示：求水平透水時總水平透水系數(shù)求水平透水時總水平透水系數(shù)k kx x提示提示：HH1HiHnKz1KziKznqz1qziqznihh(a)HH1HiHnKx1KxiKxnqx1qxiqxnh(b)例例 題題1

7、32.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)HH1HiHnKz1KziKznqz1qziqznihh(a)1 1、求垂直透水時總垂直透水系數(shù)、求垂直透水時總垂直透水系數(shù)k kz z解：解： 因?yàn)榱鬟^各層的垂直流量相等， 則通過單位面積的垂直流量為：iizizizizizHhkikqqziizikHqh ziinizniikHqhh11zi1zinihqHk即：對于整個透水層，根據(jù)達(dá)西定律Hhkikqzzzz所以所以hHkHhhHqkniziizz1niziizkHHk1142.3 滲透系數(shù)滲透系數(shù)HH1HiHnKx1KxiKxnqx1qxiqxnh(b)解：解：2 2、求水平透水時總水平透水系數(shù)、求水平透水時總

8、水平透水系數(shù)k kx x因?yàn)楦鲗拥乃ζ露认嗟仍O(shè)單位厚度的水平流量為qx，則nixixqq1由達(dá)西定律1Hikqxxx1ixixixiHikqniixixixxHikHik1因?yàn)橐驗(yàn)閤ixii 所以所以HHkkniixix1152.4 流沙、管涌流沙、管涌一、滲透力一、滲透力基準(zhǔn)面測壓管斷面積ah位置水頭z1位置水頭z2壓力水頭h2壓力水頭h1滲透力滲透力 j：滲流水對土骨架的作用滲流水對土骨架的作用力力LAB1.A、B兩端的靜水力：1wha2wha總水頭H1總水頭H2分析水柱受力分析水柱受力2.水柱自重：wLa3.土骨架對滲流水的總阻力：TLawLacoswLaTLa沿水柱方向列平衡方程沿水

9、柱方向列平衡方程12cos0wwwhaaLTaLh a16基準(zhǔn)面測壓管斷面積ah位置水頭z1位置水頭z2壓力水頭h2壓力水頭h1LAB總水頭H1LacosLaTLa2.4 流沙、管涌流沙、管涌一、滲透力一、滲透力wwhjiL所以滲透力滲透力 j 為12cos0wwwhaaLTaLh a方程兩邊同除以a，并以Lzz12cosh1=H1 z1h2=H2 z2代入上式得：12wwHHTiL因?yàn)閖T 17 j 的性質(zhì)： 1 為體積力； 2 大小與i成正比； 3 作用方向與滲流方向一致。2.4 流沙、管涌流沙、管涌一、滲透力一、滲透力18粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體流砂流砂在向上的滲透作

10、用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象移動的現(xiàn)象滲流滲流2.4 流沙、管涌流沙、管涌二、流砂、管涌二、流砂、管涌192.4 流沙、管涌流沙、管涌二、流砂、管涌二、流砂、管涌1、流砂：、流砂：基坑開挖工程采用坑內(nèi)抽水時，當(dāng)滲透力有效重度時，砂土隨水流動的現(xiàn)象。2、流砂的危害：、流砂的危害：3、流砂產(chǎn)生的條件、流砂產(chǎn)生的條件4、流砂的防治、流砂的防治工程；相臨建筑（1）土質(zhì)：細(xì)砂、粉砂、粉土（2）水流方向（3）滲透力大于等于有效重度（1）減小滲透力j，即減小水力坡度i，（2）加大有效重度換土、反壓。Lhi減小水位差降低地下水位；增長滲流路線長（

11、3）改變水流方向，增加滲流途徑。202.4 流沙、管涌流沙、管涌臨界水力坡度臨界水力坡度icr當(dāng)當(dāng)向上作用的滲透力向上作用的滲透力j等于土的有效重等于土的有效重度（浮重度）度（浮重度）r 時，土粒間失去壓力，呈懸浮狀態(tài)時，土粒間失去壓力，呈懸浮狀態(tài)滲透力有效重度（流砂）wji()crii流砂二、流砂、管涌二、流砂、管涌wcrieGwsw1) 1(1eGs11212.4 流沙、管涌流沙、管涌在滲流水的作用下，土中細(xì)小顆粒穿過粗顆粒間的孔隙被在滲流水的作用下，土中細(xì)小顆粒穿過粗顆粒間的孔隙被滲流帶走，在土中形成貫通的滲流管道。滲流帶走，在土中形成貫通的滲流管道。二、流砂、管涌二、流砂、管涌管涌管涌

12、22 2002.8.222002.8.22湘江大堤望城靖港鎮(zhèn)東湖湘江大堤望城靖港鎮(zhèn)東湖責(zé)任段出現(xiàn)散浸，并有個別散浸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為責(zé)任段出現(xiàn)散浸，并有個別散浸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為管涌，經(jīng)搶險隊伍用砂卵石將散浸口和管管涌，經(jīng)搶險隊伍用砂卵石將散浸口和管涌口壓住，其他管涌和也被砂卵石填壓。涌口壓住，其他管涌和也被砂卵石填壓。大堤從凌晨大堤從凌晨1 1時出現(xiàn)的險情到下午時出現(xiàn)的險情到下午5 5點(diǎn)得到點(diǎn)得到了完全控制。了完全控制。2.4 流沙、管涌流沙、管涌最大的管涌處最大的管涌處最大的管涌處2 2- -5 5 在靜水和有滲流情況下的在靜水和有滲流情況下的 孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力一、飽和土體中的孔隙水應(yīng)

13、力和有效應(yīng)力把飽和土體中由孔隙水來承擔(dān)或傳遞的應(yīng)力定義為孔隙水應(yīng)力，常以u表示。wwhu把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力。只有有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生壓縮（或固結(jié)）和強(qiáng)度。2 2- -5 5 在靜水和有滲流情況下的在靜水和有滲流情況下的 孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力u太沙基有效應(yīng)力原理： 總應(yīng)力把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力 。定義：圖322（a）為浸沒在水下的飽和土體，設(shè)土面至水面的距離為h1,土的飽和容重為sat ，則土面下深度為h2的a-a平面上的總應(yīng)力為二、在靜水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力由此可見，在靜水條件下，孔隙水應(yīng)力等于研究平面上單位面積的水

14、柱重量，與水深成正比，呈三角形分布；有效應(yīng)力等于研究平面上單位面積的土柱有效重量，與土層深度成正比，也呈三角形分布，而與超出土面以上靜水位的高低無關(guān)。其中，孔隙水應(yīng)力為于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為三、在穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力圖323(a)表示在水位差作用下發(fā)生由上向下的滲流情況。此時在土層表面b-b上的孔隙水應(yīng)力與靜水情況相同，仍等于wh1，面a-a平面上的孔隙水應(yīng)力將因水頭損失而減小，其值為1、向下滲流的情況：a-a平面上的總應(yīng)力仍保持不變，等于于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為與靜水情況相比，當(dāng)有向下滲流作用時，a-a平面上的總應(yīng)力保持不變，孔隙水應(yīng)力減少了wh。因而，證明了總應(yīng)力不變的條件下孔隙水應(yīng)力的減少等于有效應(yīng)力的等量增加。2、向上滲流的情況：與靜水情況相比，當(dāng)有向上滲流作用時，a-a平面上的總應(yīng)力保持不變，孔隙水應(yīng)力增加了wh，而有效應(yīng)力相應(yīng)地減少了wh 。因而，又一次證明在總應(yīng)力不變的條件下孔隙水應(yīng)力的增加等于有效應(yīng)力的等量減少。a-a平面上的總應(yīng)力a-a