第三章土力學(xué)課件

1、第三章第三章2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動孔隙流體流動滲流滲流滲透性滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)強度特性強度特性變形特性變形特性非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差能量差水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲流量滲流量滲透變形滲透變形石壩石壩浸潤線浸潤線透水層透水層滲透壓力滲透壓力滲流量滲流量滲透變形滲透變形透水層透水層基坑基

2、坑板樁墻板樁墻滲流滲流量量滲透變滲透變形形滲透壓滲透壓力力滲流滑滲流滑坡坡土的滲透性及滲透規(guī)律土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形水頭梯度水頭梯度土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降二滲透試驗與達(dá)西定律二滲透試驗與達(dá)西定律三滲透系數(shù)的測定及影響因素三滲透系數(shù)的測定及影響因素能量方程能量方程滲流速度的規(guī)律滲流速度的規(guī)律滲透特性滲透特性四層狀地基的等效滲透系數(shù)四層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)一、滲流中的水頭與水力坡降一、滲流中的水頭與水力坡降

3、ABL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi z：位置水頭：位置水頭二、滲透試驗與達(dá)西定律二、滲透試驗與達(dá)西定律試驗前提：試驗前提：層流層流LhAQ 斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降A(chǔ)Qv Lhi iv 1.1.滲透試驗滲透試驗試驗結(jié)果試驗結(jié)果試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h1，A，L=const量測變量量測變量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律ikv nvvvs 在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中

4、，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。iv AAnv V V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度V Vs s：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A AvQVA VsAvk: k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/d

5、ay粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0.3-0.5cm/sivovcrivi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土及砂性較重的粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 三、滲透系數(shù)的測定及影響因素三、滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗測定方法室內(nèi)試驗測定方法常水頭試驗法常水頭試驗法變水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔抽水試驗井孔注水試驗井孔注水試驗1. 1. 測定方法測定方法野外試驗測定方

6、法野外試驗測定方法室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法11常水頭試驗法常水頭試驗法結(jié)果整理結(jié)果整理試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h，A，L=const量測變量量測變量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk 適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法22變水頭試驗法變水頭試驗法試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h變化變化，A，L=const量測變量量測變量: : h ，t對于透水性較小的粘性土，對于透水性較小的粘性土，應(yīng)采用變水頭試驗法應(yīng)采用變水頭試驗法結(jié)果整理結(jié)果整理:理論依據(jù)理論依據(jù): :t時刻：時刻：

7、 htdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 選擇幾組選擇幾組h1, h2, t ，計算相應(yīng)的，計算相應(yīng)的k，取平均，取平均值值常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LV，t重復(fù)試驗后，取均值重復(fù)試驗后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值

8、適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土2.2.影響因素影響因素 土粒特性土粒特性流體特性流體特性l水的動力粘滯系數(shù)（水溫）水的動力粘滯系數(shù)（水溫）l飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 對對k k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡四四、層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的確立各層的k ki i根據(jù)滲流方向確定等效滲流系根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)數(shù)H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層不透水層條件條件: :Lhiii ixxqq iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :qx=vxH=kxiHqix=kiiiHi iixHkH1kH1H2H3Hhk

9、1k2k3xzv承壓水承壓水條件條件: :vvi ihh iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :vi = ki (h hi i/ /Hi)iiikvHh zkvHh iizkvHkvH iizkHHk)k1HH(k1iiz水平滲流情形水平滲流情形垂直滲流情形垂直滲流情形條件條件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121iHkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) Laplace方程方程一一、平面滲流的基本方程及求平面滲流的基本方程及求解解

10、 連續(xù)性條件連續(xù)性條件zxkk 假定：假定： h對于穩(wěn)定滲流對于穩(wěn)定滲流h=h(x,z), v=v(x,z)取單寬：取單寬： dy=1與時間無關(guān)與時間無關(guān)達(dá)西定律達(dá)西定律平面滲流的基本方程平面滲流的基本方程 1. 1. 基本方程基本方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx zxkk 假定假定 dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程與與kx, kz無關(guān)無關(guān)滿足它的是兩個共軛調(diào)合函數(shù)滿足它的是兩個共軛調(diào)合函數(shù) 勢函數(shù)和流函數(shù)勢函

11、數(shù)和流函數(shù) 描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式2. 2. 求解方法求解方法 基本方程基本方程邊界條件邊界條件解析方法解析方法適用于邊界條件簡單的情況適用于邊界條件簡單的情況 通解：兩個共軛調(diào)和函數(shù)通解：兩個共軛調(diào)和函數(shù)勢函數(shù)勢函數(shù)(x,z)(x,z)流函數(shù)流函數(shù)(x,z)(x,z)等勢線等勢線流線流線邊界條件邊界條件特定解特定解二、流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用二、流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 流網(wǎng)流網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線滲流場中的兩族相互正交曲線等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線流線水質(zhì)點運動

12、的軌跡線水質(zhì)點運動的軌跡線。等勢線等勢線測管水頭相同的點之連線測管水頭相同的點之連線 。流網(wǎng)法流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。曲線簇來求解滲流問題?；疽蠡疽?. 正交性：流線與等勢線必須正交正交性：流線與等勢線必須正交Hh0lsls2. 各個網(wǎng)格的長寬比各個網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取應(yīng)為常數(shù)。取c=1c=1，即為曲邊即為曲邊正方形正方形3. 在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。ABCDlsHh h00ls繪制方法繪制方法根據(jù)滲流場根據(jù)滲流場的邊界條件的邊界條件確定邊界流線確定邊界流線

13、和首尾等勢線和首尾等勢線正交性正交性曲邊正方形曲邊正方形流線流線等勢線等勢線反復(fù)修改，調(diào)整反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)初步繪制流網(wǎng)流網(wǎng)特點流網(wǎng)特點與上下游水位變化無關(guān)與上下游水位變化無關(guān)h=consth=const；與與k k無關(guān)；無關(guān)；等勢線上各點測管水頭等勢線上各點測管水頭h h相等；相等；相鄰等勢線間的水頭損失相等；相鄰等勢線間的水頭損失相等；各流槽的滲流量相等。各流槽的滲流量相等。 總水頭差總水頭差 h h實際應(yīng)用實際應(yīng)用l /Hi iiikv HMkMqq;HkslHkqiiii 確定流速確定流速 確定流量確定流量流道數(shù)M 水力坡降水力坡降2.3 2.3

14、 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一、滲透力一、滲透力（動水力）（動水力）h0 h0 水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。滲透力滲透力 j j 滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。方向與滲流方向一致。滲透變形滲透變形滲透力滲透力h=0 h=0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。靜水中，土骨架會受到浮力作用。h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器abh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2W

15、P1R靜水中的土體靜水中的土體A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L h1hh200hwL土土樣樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水貯水器器a bP2WP1RA=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L wh滲流中的土體滲流中的土體靜水中的土體靜水中的土體R = L whR = L 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時，向上滲流存在

16、時，濾網(wǎng)支持力減濾網(wǎng)支持力減少少水與土之間的作用力滲流的拖曳力水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力總滲透力J = wh滲透力滲透力j = J/V = wh/L = wij = wi-體積力體積力R = L wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少臨界水力坡降臨界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh = 0e1)1G(ws e11Giscr 物理意義：物理意義： 單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是的拖曳力，它是j = wi大?。捍笮。悍较颍悍较颍号c滲流

17、方向一致與滲流方向一致作用對象：作用對象：土骨架土骨架利用流網(wǎng)求滲透力利用流網(wǎng)求滲透力復(fù)雜條件總滲透力總滲透力大大 ?。盒。簀x網(wǎng)格面積網(wǎng)格面積 方方 向：向：與流線一致與流線一致作用點：作用點：形心形心 ij 流網(wǎng)較密處流網(wǎng)較密處i i較大，該處滲透力也大較大，該處滲透力也大不同位置的滲透力對不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同土體穩(wěn)定性的影響不同jAsljJ sHsljJ HHi;jll Hh0lsls基本類型基本類型 二二、滲透變形滲透變形（滲透破壞）（滲透破壞） 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件形成條

18、件 防治措施防治措施 1.1. 流土流土 在向上的滲透作用下，表層局部土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。體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象。crii0JW 和和土土的的密密實實程程度度有有關(guān)關(guān)eGiscr 11 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流原因：原因：形成條件形成條件 scrFiii Fs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)經(jīng)驗判斷：經(jīng)驗判斷：管涌2.管涌管涌原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因有足夠多有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙粒直徑的孔隙外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌破壞流土流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷