最新土力学第二章课件PPT.ppt 94页

'土力学第二章 2.1概述2.1概述碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质能量差土颗粒土中水渗流 渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流2.1概述 2.1概述渗流滑坡 渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形扬压力土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工多雨地区边坡2.1概述 2.2.1土体的渗透定律——达西定律2.2土体的渗透性1、渗流中的总水头与水力坡降总水头－单位重量水体所具有的能量z：位置水头u/γw：压力水头V2/(2g)：流速水头≈0总水头：测管水头 2.2.1土体的渗透定律——达西定律2.2土体的渗透性1、渗流中的总水头与水力坡降ABLh1h2zAzBΔh00基准面水力坡降线A点总水头：B点总水头：水力坡降：水头差： 2.2.1土体的渗透定律——达西定律2.2土体的渗透性2、渗透试验与达西定律试验前提：层流试验条件:h1，A，L已知量测变量:h2，V，T试验结果Δh=h1-h2Q=V/T 2.2土体的渗透性2.2.1土体的渗透定律——达西定律达西定律：v：断面平均渗流速度（mm/s，m/d）k：土体渗透系数（mm/s，cm/s,m/d） AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>AvAv=nA2.2土体的渗透性2.2.1土体的渗透定律——达西定律工程上不区分这两个流速，直接用v 2.2土体的渗透性2.2.1土体的渗透定律——达西定律3、达西定律的适用范围层流（线性流）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数Re进行判断： （1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/svvcrivoi0（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)2.2土体的渗透性3、达西定律的适用范围i 从左图看出，渗流流经砂Ⅰ、砂Ⅱ后总水头损失为⊿h=30cm。设砂Ⅰ、砂Ⅱ各自的水头损失分别为⊿h1，⊿h2，则⊿h1+⊿h2=30根据渗流连续原理，流经两砂样的渗透速度应该相等，即v1=v2=v达西定律v=ki，则k1i1=k2i2k1⊿h1/L1=k2⊿h2/L2L1=L2=40cm,k1=0.2cm/s,k2=0.1cm/s所以2⊿h1=⊿h2，解出⊿h1=10cm则测压管水面升至右端水面以上10cm 2.2土体的渗透性2.2.2渗透系数的测定和影响因素室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验 2.2土体的渗透性1、常水头试验法结果整理试验条件:Δh，A，L已知量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AVQ 2.2土体的渗透性2、变水头试验法试验装置：如图试验条件:a、A、L已知量测变量:Δh1、Δh2、Δt土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a选择几组Δh1,Δh2,Δt，计算相应的k，取平均值 2.2土体的渗透性3、抽水现场试验法地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/dr积分优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长 2.2土体的渗透性4、影响渗透系数的因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）水的动力粘滞系数 粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。2.2土体的渗透性饱和度的影响：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道，饱和度增大，k值上升 2.2土体的渗透性流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大《土工试验规程》 2.2土体的渗透性2.2.3层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状 H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层2.2.3层状地基的等效渗透系数1、水平渗流等效渗透系数为各层土渗透系数按土层厚度的加权平均值 2.2.3层状地基的等效渗透系数2、竖直渗流H1H2H3HΔhk1k2k3xzv承压水 不透水岩基上有水平分布的三层土，厚度都为1m，渗透系数分别为k1=0.001m/d，k2=0.2m/d，k3=10m/d，分别求等效土层的水平渗流与竖直渗流的等效渗透系数水平渗流kx：渗透系数大的土层起主导作用竖直渗流kz：渗透系数小的土层起主导作用kx恒大于kz，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向 Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律流线方程假定kx=kz流线描述水头描述势函数的基本方程流函数的基本方程势函数流函数共轭调和，等值线正交求解（流网）边界条件2.3二维渗流与流网 2.3二维渗流与流网ΔhΔh恒定稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)对单宽dy=1，取一微小单元dx,dz与时间无关xz一.平面渗流的基本方程及求解 连续性条件1.基本方程水头描述一.平面渗流的基本方程及求解2.3二维渗流与流网 连续性条件达西定律Laplace方程描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式之一，代入边界条件可求解各向同性土层kx=kz2.3二维渗流与流网 2.3二维渗流与流网1.基本方程流线描述xzψψ+dψdq同一条流线上，流函数的值为一常数，流线不能相交两条流线流函数的差值等于其间通过的流量vxvzdz-dx(x,z) Laplace方程1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程2）势函数等值线和流函数等值线正交3）当取⊿=⊿时，流网网格为曲边正方形4）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场+⊿+⊿sl2.3二维渗流与流网 边界条件透水层不透水层基坑板桩墙水头边界条件：首尾等水头线12流速边界条件：边界流线3其它边界条件：渗出面、自由水面11222.3二维渗流与流网 解析方法试验比拟方法（电比拟方法）数值方法图解法流网——近似求解方法适用于边界条件简单的情况通解：两个共轭调和函数势函数Φ(x,z)流函数Ψ(x,z)等势线流线相互正交边界条件特定解差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。理论基础：解析法的结果2.3二维渗流与流网 二.流网的绘制及应用流网——渗流场中的两族相互正交曲线——等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线——水质点运动的轨迹线。等势线——测管水头相同的点之连线。流网法——通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。H△h02.3二维渗流与流网 1.正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交H△h0lsls2.等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。+d+dba2.3二维渗流与流网 ABCDlsH△h00ls流网绘制方法一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。1）根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线3）按正交性和曲边正方形的绘制等水头线，初步绘制流网4）流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图2.3二维渗流与流网2）按照边界趋势绘制流线 流网的应用（1）水头a点的测管水头ha、压力水头hu、位置水头za？（2）孔隙水压力（3）水力坡降（网格的平均水力坡降）流网中网格越密，i越大E点为逸出坡降 流网的应用（4）渗透流速方向为流线切线方向（5）渗透流量曲边正方形：l=s坝基长度为B时，总渗流量为： -79.0m -79.0m地基单宽流量q=M·k·⊿h=4×1×5×10-7=20×10-7m2/s 2.4渗透力和渗透变形2.4.1渗透力和临界水力坡降渗透力j：单位体积土体内土颗粒受到的渗流作用力土、水整体受力分析R+P2=W+P1P2WP1R 2.4渗透力和渗透变形2.4.1渗透力和临界水力坡降土、水整体受力分析土水总重量：W=Lγsat＝L(γ+γw)土样两端边界水压力：P1=γwhw，P2=γwh2土样下部滤网的支承反力RR+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhwh200hwL土样滤网贮水器abA=1R=Lγ静水条件： h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab2.4渗透力和渗透变形渗流条件W=Lγsat＝L(γ+γw)P1=γwhwP2=γwh1R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhwR=γL－γwΔhR=LγA=1 静水中的土体R=γL－γwΔhR=γL渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支承力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗透力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/L=γwΔh/L=γwij=γwih1Δhh200hwL土样滤网贮水器abA=12.4渗透力和渗透变形 2.4渗透力和渗透变形2.4.1渗透力和临界水力坡降物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j=γwi大小：方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架渗透力的性质 利用流网求渗透力总渗透力大小：j网格面积方向：与i方向一致作用点：形心流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同h△h0⊿l⊿s⊿l⊿s2.4渗透力和渗透变形 2.4渗透力和渗透变形临界水力坡降：土体发生流土破坏时的水力坡降R=γL－γwΔh=0R+P2=W+P1发生流土时，R=0 2.4渗透力和渗透变形2.4.2土的渗透变形1、类型粘性土k1<icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态经验判断：流土： 较均匀土（Cu≤10）几何条件级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（Cu>10）不连续连续D0=0.25d20细粒含量>35%细粒含量<25%细粒含量=25-35%D0d5D0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料P53d5d32、破坏可能性的判别水力条件一般发生在无粘性土中几何条件管涌 2.4渗透力和渗透变形管涌：水力条件重大工程由渗透破坏试验确定5101520253035402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌Cu>20时,icr=0.25-0.30[i]=0.10-0.15苏联：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降[i]0.15-0.250.1-0.2 增大[i]：下游增加透水盖重防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降2.4渗透力和渗透变形3、渗透变形的防治 虚证定义：是指人体正气不足，所致脏腑功能衰退而出现的各种临床表现。 形成：1、先天不足2、后天失调3、疾病耗损 分类：气、血、阴、阳、脏腑虚损。治则：扶正治法：补方药：补益药补益药的定义：凡有补益人体气、血、阴、阳不足的作用，能治疗各种虚证的药物。 气虚证定义：气的功能（推动、温煦、防御、固摄、气化）减退，而出现的症状。临床表现：面白无华、少气懒言、神疲乏力、自汗、动则加剧、舌质淡、脉弱。 病机分析推动功能减退：生长、发育、生殖、脏腑组织、器官的生理功能减退，血液及津液的生成、运行缓慢。小儿生长发育迟缓，（五迟）青年生殖机能减退，（不育、不孕）中年早衰，白发，血虚、血瘀、痰饮等温煦功能减退：热量不足。畏寒肢冷，体温低下脏腑、组织、器官生理功能减退。血液及津液的运行缓慢。 防御功能减退：护卫肌表减弱。抗病力下降，外邪易于侵入人体而致病，患病后难愈。固摄功能减退：固摄液态功能减弱。气不摄血的出血证，气不摄津的自汗、小便失禁，气不摄精的滑精、早泄。固定内脏功能减弱。气化功能减退：影响气、血、津液的新陈代谢。治则：扶正益气。 常用补气药补气药定义：凡以补益脾气、肺气为主要作用，消除或改善气虚证的药物称为补气药。常用补气药：人参、党参、黄芪、白术、山药、甘草 常用的补气方剂及应用四君子汤（四君子合剂、100ml/瓶）加减应用：1、兼有湿者+半夏、陈皮=六君子汤2、兼有湿及气滞者+半夏、陈皮+木香、砂仁=香砂六君子汤 四君子汤的现代药理研究调节胃肠道的功能对免疫系统的影响（增强非特异性和特异性免疫功能）对血液系统的影响（增强红细胞生成）抗肿瘤、抗突变 补中益气汤（补中益气丸、200粒/瓶）应用：气虚+下陷重症肌无力子宫下垂参苓白术散+山药、白扁豆、米仁、莲子肉+砂仁主治脾虚泄泻 生脉饮（党参、麦冬、五味子）功效：益气养阴、收敛止汗主治：气阴两虚的乏力、口干、出汗、心悸等。 玉屏风散功效：益气固表止汗主治：表虚自汗易感风邪现代临床应用： 血虚证定义：血液亏虚，不能濡养脏腑、经络、组织而表现的虚弱证候。临床表现：面色萎黄，唇色淡，爪甲色淡；头晕眼花；心悸，失眠，多梦；月经量少，色淡，闭经。舌质淡，脉细。治则：扶正治法：养血 常用补血药当归、熟地、白芍、阿胶、何首乌 常用的补血方剂四物汤（四物合剂10ml/支）组成：熟地、白芍、当归、川芎。功效：补血主治：一切血虚证。 加减应用：兼有气虚者+党参、黄芪。气血两虚者+四君子=八珍汤（丸）气血两虚兼有阳虚者八珍+黄芪、肉桂=十全大补汤兼有血瘀者+桃仁、红花=桃红四物汤 阴虚证定义：是由于体内阴液亏虚不能制约阳气或滋润濡养等作用减退所表现出来的症候。临床表现：形体消瘦，两颧红赤，午后潮热，咽干口燥，心烦，盗汗，手足心热，舌红少津，少苔，脉细数。 病机分析：阴液耗损------形体消瘦。阴虚不能制阳，阳亢则虚火内扰----心烦，手足心热，潮热盗汗。虚火上升------两颧红赤，咽干口燥，舌红少苔。津液不足-----舌干少津虚则脉细，有热则数，故阴虚者为细数脉。 治则：扶正治疗方法：滋阴清热常用方剂：六味地黄丸等 常用补阴药补阴药定义：凡能滋补阴液，治疗阴虚证的药物称为补阴药，又称为滋阴药，养阴药。常用补阴药：沙参、麦冬、（天冬）、百合、山茱萸、黄精、石斛、（玉竹）、旱莲草、（女贞子）、鳖甲、（龟板）、枸杞子 阳虚证定义：是由于体内阳气虚衰，机体的温煦、推动、气化等作用减退所表现出的一类证候。形成：素体阳虚，禀赋不足。久病体虚，老年亏虚。暴病伤正或饮食生冷。 临床表现：神疲乏力，面色晄白，畏寒肢冷，口淡不渴，或口渴喜欢热饮，小便清长，或尿少，尿闭，大便溏薄，舌质淡胖，脉虚无力。 病机：阳气虚，推动无力，导致气血不足，神疲乏力，面色晄白。阳气虚，温煦无力，畏寒肢冷，口淡不渴，或口渴喜欢热饮。阳气虚，气化功能失常，水液代谢异常，开合失调，出现小便清长，或尿少，尿闭，或大便溏薄。 阳气虚，运化水液的功能减退，使水液停留，产生湿、痰、饮等病理产物。出现泄泻，水肿。治疗法则：扶正。治疗方法：温补阳气。常用方剂：肾气丸、参茸丸等 常用补阳药补阳药定义：常用补阳药：鹿茸、巴戟天、杜仲、补骨脂、淫羊藿、肉苁蓉、续断、菟丝子、杜仲、冬虫夏草、枸杞子、紫河车、胡桃肉、蛤蚧 常见证型脾气虚证1、脾失健运：临床表现：纳呆、腹胀、大便溏薄、肢体倦怠、神疲乏力、舌淡、苔白、脉细弱。治疗方法：健脾益气代表方剂：四君子汤药物：党参、白术、茯苓、甘草。 加减：纳呆加炙鸡内金、焦麦芽、焦谷芽、焦山楂、焦六曲。腹胀加陈皮、枳壳、枳实、大腹皮。便溏加山药、白扁豆、炒米仁、莲子肉。 2、脾气下陷证（中气下陷证）临床表现：内脏下垂；脘腹下坠感；便意频频，肛门重坠感；久痢不止，甚至脱肛；以上诸证都同时伴有脾气虚的症状。 治疗方法：补中益气，升举清阳代表方剂：补中益气汤药物：黄芪党参、白术、炙甘草陈皮、当归、升麻、柴胡 3、脾不统血临床表现：慢性出血（尿血、便血、鼻衄、紫癜）妇科出血（崩漏）以上诸证都同时伴有脾气虚的症状。治疗方法：健脾补气摄血。 代表方剂：归脾汤药物：a、党参、黄芪、白术、炙甘草、b、生姜、大枣c、当归d、茯神、酸枣仁、龙眼肉、远志e、木香 肺气虚临床表现：咳嗽无力、气短而喘、动则更甚、痰液清稀、语音低微、自汗、畏风，舌淡、苔白、脉细弱。治疗方法：补益肺气代表方剂：补肺汤 药物：党参、黄芪（培土生金）熟地（补肾水，防子盗母气）五味子（酸，收敛）紫菀、桑白皮（止咳化痰） 加减：自汗甚，面色白，反复有表证。玉屏风散：黄芪、白术、防风。 心气虚证临床表现：心悸气短，动则加剧，神疲乏力，面色苍白，舌淡，苔白，脉虚无力。治疗方法：补益心气代表方剂：养心汤 养心汤药物：补气----黄芪，党参，茯苓，炙甘草养血----当归，川芎宁心------酸枣仁，柏子仁，五味子鼓动心阳-----肉桂 肾气虚证临床表现：小儿生长发育迟缓，（五迟）青年生殖机能减退，（不育、不孕）中年早衰，白发，腰膝酸痛，头晕健忘，耳鸣，尿少、尿闭、尿多。舌淡苔白，脉沉。 治疗方法：补肾益气代表方剂：大补元煎药物：1、人参+熟地2、山药、山芋肉、杜仲、枸杞子、3、当归4、炙甘草'