《土力學(xué)》教案-第二章 土的滲透性和滲透問(wèn)題

第二章土的滲透性和滲透問(wèn)題課堂教學(xué)實(shí)踐教學(xué)課時(shí)32內(nèi)容提要1．達(dá)西定律；2．滲透系數(shù)及其確定方法；3．滲透力和滲透變形；4．滲流工程問(wèn)題與處理措施。能力培養(yǎng)要求1．掌握水在土中滲透的基本規(guī)律，掌握滲透系數(shù)確定方法；2．領(lǐng)會(huì)滲透力和滲透變形的概念；3．了解滲流工程問(wèn)題與處理措施。教學(xué)形式教師主講、課堂討論、學(xué)生講評(píng)、提問(wèn)答疑、工程案例分析等日期班級(jí)課室時(shí)間90min復(fù)習(xí)舊課時(shí)間min新課題目第一節(jié)達(dá)西定律第二節(jié)滲透系數(shù)及其確定方法教學(xué)目標(biāo)1．熟悉達(dá)西定律2．領(lǐng)會(huì)測(cè)定土的滲透系數(shù)原理3．了解滲透力與臨界水力坡降的定義4．熟悉滲透變形的類(lèi)型及特點(diǎn)教學(xué)輔助資料多媒體課件、三角板等教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及安排第一節(jié)達(dá)西定律【基本內(nèi)容】滲透——在水位差作用下，水透過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象。滲透性——土具有被水透過(guò)的性能。一、達(dá)西定律v=ki=k或用滲流量表示為q=vA=kiA式中v――滲透速度，cm/s或m/d；q――滲流量，cm3/s或m3/d；i=h/L――水力坡降（水力梯度），即沿滲流方向單位距離的水頭損失，無(wú)因次；h――試樣兩端的水頭差，cm或m；L――滲徑長(zhǎng)度；cm或m；k――滲透系數(shù)，cm/s或m/d；其物理意義是當(dāng)水力梯度i等于1時(shí)的滲透速度；A――試樣截面積，cm2或m2。【注意】由上式求出的v是一種假想的平均流速，假定水在土中的滲透是通過(guò)整個(gè)土體截面來(lái)進(jìn)行的。水在土體中的實(shí)際平均流速要比達(dá)西定律采用的假想平均流速大。二、達(dá)西定律的適用范圍與起始水力坡降對(duì)于密實(shí)的粘土：由于結(jié)合水具有較大的粘滯阻力，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值，克服了結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透。起始水力梯度――使粘性土開(kāi)始發(fā)生滲透時(shí)的水力坡降。(a)砂土(b)密實(shí)粘土(c)礫石、卵石粘性土滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系，如圖（b）中的實(shí)線所示，常用虛直線來(lái)描述密實(shí)粘土的滲透規(guī)律。(2-3)式中ib――密實(shí)粘土的起始水力坡降；對(duì)于粗粒土中（如礫、卵石等）：在較小的i下，v與i才呈線性關(guān)系，當(dāng)滲透速度超過(guò)臨界流速vcr時(shí)，水在土中的流動(dòng)進(jìn)入紊流狀態(tài)，滲透速度與水力坡降呈非線性關(guān)系，如圖（c）所示，此時(shí)，達(dá)西定律不能適用。第二節(jié)滲透系數(shù)及其確定方法【基本內(nèi)容】一、滲透試驗(yàn)1．常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。常水頭試驗(yàn)就是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭保持不變。試驗(yàn)時(shí)測(cè)出某時(shí)間間隔t內(nèi)流過(guò)試樣的總水量V，根據(jù)達(dá)西定律即2．變水頭試驗(yàn)粘性土由于滲透系數(shù)很小，流經(jīng)試樣的總水量也很小，不易準(zhǔn)確測(cè)定。因此，應(yīng)采用變水頭試驗(yàn)。變水頭試驗(yàn)就是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭隨時(shí)間而變化的一種試驗(yàn)方法。利用數(shù)學(xué)方法可得到滲透系數(shù)如用常用對(duì)數(shù)表示，上式可寫(xiě)為二、影響滲透系數(shù)的因素【討論】上述因素對(duì)滲透系數(shù)的影響三、成層土的滲透系數(shù)1．平行層面滲透系數(shù)【討論】對(duì)于成層土，如果各土層的厚度大致相近，而滲透性卻相差懸殊時(shí)，與層向平行的平均滲透系數(shù)將取決于最透水層的厚度和滲透性。2．垂直層面滲透系數(shù)【討論】對(duì)于成層土，如果各土層的厚度大致相近，而滲透性卻相差懸殊時(shí)，與層面垂直的平均滲透系數(shù)將取決于最不透水層的厚度和滲透性?！纠}先自習(xí)后講解】【例2-1】設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30㎝2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)。【解題思路】熟悉變水頭公式計(jì)算k20第三節(jié)滲透力和滲透變形【基本內(nèi)容】一、滲透力和臨界水力坡降1．滲透力滲透力――水在土體中流動(dòng)時(shí)，滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力。滲透力的特點(diǎn)【討論】滲透力對(duì)土體穩(wěn)定的影響2．臨界水力坡降——使土體開(kāi)始發(fā)生滲透變形的水力坡降。設(shè)計(jì)時(shí)，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)，即i≤[i]二、滲透變形滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形，這類(lèi)問(wèn)題稱為滲透變形問(wèn)題。1．滲透變形的基本形式2．流土的特點(diǎn)：發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，而不發(fā)生于土體內(nèi)部。開(kāi)挖基坑或渠道時(shí)常常遇到的流砂現(xiàn)象，就屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞。3．管涌的特點(diǎn)：既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處。它的發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過(guò)程，是一種漸進(jìn)性的破壞。管涌的臨界水力梯度icr一般通過(guò)試驗(yàn)確定?！竟こ探?jīng)驗(yàn)】粘性土由于粒間具有粘聚力，連結(jié)較緊，常不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；不均勻系數(shù)Cu>10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞；對(duì)Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況。當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時(shí)，只要較小的水力坡降，就足以推動(dòng)這些細(xì)粒發(fā)生管涌。如它們的孔隙中細(xì)粒增多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為30%~35%），便不出現(xiàn)管涌而會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象?！咎釂?wèn)答疑】【本次課小結(jié)】1．達(dá)西定律2．測(cè)定滲透系數(shù)的方法3．滲透力與滲透變形【復(fù)習(xí)思考】達(dá)西定律的適用條件有哪些？2．實(shí)驗(yàn)室測(cè)定滲透系數(shù)的方法有哪兩種？它們分別適用于什么情況？3．何謂滲透力？其大小、方向、單位如何？4．滲透變形的基本形式有分哪兩種？它們分別有什么特征？【課后作業(yè)】課后反饋意見(jiàn)日期班級(jí)課室時(shí)間45min復(fù)習(xí)舊課上節(jié)課主要內(nèi)容及反饋信息時(shí)間min新課題目第四節(jié)滲流工程問(wèn)題與處理措施※習(xí)題復(fù)習(xí)課教學(xué)目標(biāo)1．了解常見(jiàn)工程滲流問(wèn)題及其處理措施2．系統(tǒng)復(fù)習(xí)全章內(nèi)容3．提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生解決問(wèn)題能力教學(xué)輔助資料多媒體課件及相關(guān)工程資料教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及安排第四節(jié)滲流工程問(wèn)題與處理措施【基本內(nèi)容】一、滲流工程問(wèn)題1．地下水的浮托作用2．地下水的潛蝕作用3．流砂4．基坑突涌二、防滲處理措施1．水工建筑物滲流處理措施水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長(zhǎng)滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形。①垂直截滲垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等都屬于垂直截滲。②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，延長(zhǎng)水流滲透路徑。③設(shè)置反濾層在水工建筑物下游設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形。④排水減壓為減小下游滲透壓力，常常在水工建筑物下游、基坑開(kāi)挖時(shí)，設(shè)置減壓井或深挖排水槽。【工程實(shí)例】【討論】采用上述措施的原理2．基坑開(kāi)挖防滲措施①工程降水可采用明溝排水和井點(diǎn)降水的方法人工降低地下水位。②設(shè)置板樁沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時(shí)增加了地下水的滲流路徑，減小水力坡降。③水下挖掘在基坑或沉井中用機(jī)械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水頭差。為了增加砂的穩(wěn)定性，也可向基坑中注水，并同時(shí)進(jìn)行挖掘?；娱_(kāi)挖防滲措施還有凍結(jié)法、化學(xué)加固法、爆炸法等。※習(xí)題復(fù)習(xí)課【學(xué)生講臺(tái)解答作業(yè)】【學(xué)生互評(píng)】【教師點(diǎn)評(píng)】【工程防滲實(shí)例簡(jiǎn)介】【提問(wèn)答疑】【本章小結(jié)】1．層流狀態(tài)，水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度（或水力坡降）成正