渗透和有效应力讲课用概要1.ppt

土的渗透性 二 Darcy渗透定律 由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流 Darcy渗透定律 v 渗透速度（cm/s或m/s） q 渗流量（cm3/s后m3/s） i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，无因此 h 试样两端的水位差，即水头损失 L 渗径长度 k 渗透系数（cm/s或m/s,m/d） A 试样截面积（cm2或者m2） 流速与水力梯度的关系－砂土 流速与水力梯度的关系－粘土 流速与水力梯度的关系－粘土 粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。 流速与水力梯度的关系－砾土 注意 按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速 ，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的 。 实际上 ，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。，他们之间的关系为 Darcy渗透定律的适用条件 太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候才能适用。 根据水的密度ρ，流速v，水的粘滞系数η，土粒粒子平均粒径d，可以算出雷诺数Re Darcy渗透定律的适用条件 从层流转换为紊流时的Re数一般为0.1~7.5的范围，而一般认为在土的孔隙内水流只要雷诺数1.0，达西定律就可以满足。因此达西定律的适用界限可以考虑为 Darcy渗透定律的适用条件 如果考虑水的密度ρ＝1.0（g/cm3）水温10℃时水的粘滞系数η＝0.0131(g/sec·cm)，而一般的流速可以考虑v＝0.25（cm/sec）可以算出满足达西定律的土的平均粒径d 三 渗透系数的测定 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为常水头试验和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘性土。 常水头法 常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变，试验装置如图 用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量V，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k 变水头法 粘性土，渗透系数小，流经水量少 变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，试验装置如图，试样的一端与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可根据达西定律求出水的渗透系数。 变水头法 设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量 土的渗透系数参考值 分层土的等效渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的等效渗透系数，作为进行渗透计算的依据。 与层面平行的情况 与层面垂直的情况 与层面垂直的情况 结论 对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相差悬殊时 饱和土体中的孔隙水应力 孔隙水应力：饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常用u表示。 饱和土体中的有效应力 有效应力：通过粒间接触面传递的应力称为有效应力，只有有效应力才能使得土体产生压缩（或固结）和强度。 把研究平面内所有粒间接触面上接触力的法向分力之和除以所研究平面的总面积所得的平均应力来定义有效应力 饱和土体中的有效应力 太沙基有效应力原理 对饱和土体内某一研究平面 有效应力原理 当总应力保持不变时，孔隙水应力和有效应力可以相互转化，即孔隙水应力减小（增大）等于有效应力的等量增加（减小） 非常重要！！ 静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力 向下渗流 稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力 向上渗流 流土临界条件 当a-a平面上的孔隙水应力增加到与总应力相等，即有效应力降为零，有 超孔隙水压力 由渗流或荷载引起的超过静水位的孔隙水压力称为超孔隙水压力 对于稳定渗流，由于水头是常数，因而起超孔隙水压力将不随时间变化 对于荷载引起的超孔隙水压力，将随时间而变化，其变化规律仍然服从有效应力原理。 * * 水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比 砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定