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1、第二章土中的水及其流動(dòng)2.1概述2.2滲透力和滲透變形1一、滲透的工程背景滲透(流):在水位差作用下，水透過(guò)土體孔隙發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象。石壩浸潤(rùn)線透水層不透水層土壩蓄水后水透過(guò)壩身流向下游1.土壩蓄水后水透過(guò)壩身流向下游第一節(jié)概述2透水層不透水層基坑板樁墻2.滲流對(duì)基坑開挖的影響上圖為軟土地基深基坑施工時(shí)常用的防滲、護(hù)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在開挖基坑的過(guò)程中，通常是基坑外土層中的地下水位高于基坑內(nèi)水位而形成水頭差，地下水將通過(guò)坑外土層繞過(guò)板樁滲入坑內(nèi)。33.隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)4.滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定的影
2、響4＊典型事故2003年7月1日凌晨發(fā)生的上海軌道交通4號(hào)線塌方事故，直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億元左右，3棟建筑物嚴(yán)重傾斜，黃浦江防汛墻局部塌陷并引發(fā)管涌。事故發(fā)生段為地鐵董家渡段的兩條隧道之間的一條狹小連接通道，即旁通道，靠黃浦江260米處。事故發(fā)生原因：（1）豎井與旁通道的開挖順序錯(cuò)誤；（2）冷凍設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致溫度回升；（3）地下承壓水導(dǎo)致噴沙。三方面不利因素遇在一起，最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。典型事故5678二、滲透模型實(shí)際土體中的滲流僅是流經(jīng)土粒間的孔隙,由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復(fù)雜,
3、導(dǎo)致滲流水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則,如右圖所示。9對(duì)滲流作如下二方面的簡(jiǎn)化：?一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；?二是不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。滲流模型10為了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致，它還應(yīng)該符合以下要求：?(1)流量相等：在同一過(guò)水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量；?(2)壓力相等：在任意截面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲流的壓力相等；?(3)阻力相等：在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等。建
4、立滲流模型后，即可采用液體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)概念和理論對(duì)土體滲流問(wèn)題進(jìn)行分析。真實(shí)滲流與滲流模型中平均流速的關(guān)系11水在土中流動(dòng)遵從水力學(xué)的連續(xù)方程和能量方程。一、土中滲流的總水頭和水力坡降伯努利方程：h=z+hw+hv根據(jù)能量方程，相對(duì)于任意確定的基準(zhǔn)面，土中一點(diǎn)的總水頭h為：動(dòng)水頭hv與流速的平方成正比，由于水在土中滲流的速度一般很小，hv可以忽略不計(jì)。第二節(jié)滲透力和滲透變形12總水頭差Δh為水力梯度i─也叫水力梯度或水力坡降，即沿滲流方向單位流程的水頭損失。L（流程）13二、達(dá)西滲透定律試驗(yàn)裝置1
5、、達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置1856年法國(guó)學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究?①直立圓筒。橫截面積為A，上端開口。在圓筒側(cè)壁裝有兩支相距為L(zhǎng)的側(cè)壓管。?②濾板。濾板上填放顆粒均勻的砂土。?③：溢水管。水由上端注入圓筒，多余的水從此溢出，使筒內(nèi)水位維持一恒定值。?④：短水管。滲透過(guò)濾板的水從此流入⑤。?⑤量杯。計(jì)算滲流量q。?同時(shí)讀取斷面1-1和斷面2-2處的側(cè)壓管水頭值h1、h2，得到兩斷面之間的水頭損失△h=(L+h1)-h2142、達(dá)西定律達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A
6、及水頭損失△h成正比，與斷面間距l(xiāng)成反比或式中i=△h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降k為滲透系數(shù),其值等于梯度為1時(shí)水的滲透速度，cm/s。上式所表示的關(guān)系稱為達(dá)西定律，它是滲透的基本定律。v=kiivO砂土153、達(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體(中砂、細(xì)砂、粉砂等)實(shí)驗(yàn)得到的，后來(lái)經(jīng)過(guò)修正后推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。進(jìn)一步的研究表明，在某些條件下，滲透并不一定符合達(dá)西定律，因此在實(shí)際工作中還要注意達(dá)西定律的適用范圍。大量試驗(yàn)表明:(1)當(dāng)滲透速度較小時(shí)，滲透的沿程
7、水頭損失與流速的一次方成正比。在一般情況下，砂土、粘土中的滲透速度很小，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動(dòng)—層流，滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西定律，滲透速度v與水力梯度i的關(guān)系可在v-i坐標(biāo)系中表示成一條直線，如圖(a)所示。(2)粗顆粒土(如礫、卵石等)的試驗(yàn)結(jié)果如圖(b)所示。由于其孔隙很大，當(dāng)水力梯度較小時(shí)，流速不大，滲流可認(rèn)為是層流，v-i關(guān)系成線性變化，達(dá)西定律仍然適用。當(dāng)水力梯度較大時(shí)，流速增大，滲流將過(guò)渡為不規(guī)則的相互混雜的流動(dòng)形式—紊流，v-i關(guān)系呈非線性變化，達(dá)西定律不再適用。
8、16土顆粒周圍存在著結(jié)合水，結(jié)合水因受到分子引力作用而呈現(xiàn)粘滯性,需要克服結(jié)合水的粘滯阻力才能發(fā)生滲流。通常把克服此粘滯阻力所需要的水頭梯度，稱為粘土的起始水頭梯度ib,只有在達(dá)到起始水力梯度后才能發(fā)生滲透。17三、滲透系數(shù)及其測(cè)定滲透系數(shù)k是評(píng)價(jià)土的滲透性的指標(biāo)。k值大的土，滲透性強(qiáng)，反之，滲透性弱。1.滲透系數(shù)的實(shí)用意義2.滲透系數(shù)的影響因素⑴土顆粒的粒徑、級(jí)配和礦物成分土顆粒的粒徑小，滲透系數(shù)?。患?jí)配好，滲透系數(shù)小；在含水量相同的情況下，蒙脫石的滲透系數(shù)比高嶺石的小，伊利石的滲透系數(shù)居于兩
