土力學(xué)2第二章土的滲透性新修

1、土的滲透性和滲流問題 第二章22.1 概述2.2 土體的滲透性2.3 二維滲流與流網(wǎng)2.4 滲透力和滲透變形3本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要難點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）注重對(duì)物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn) 水頭及水力坡降滲透力及其分析方法2 土的滲透性和滲流問題 2 土的滲透性和滲流問題 碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性2.1概述能量差土顆粒土中水滲流概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土

2、石壩壩基壩身滲流2 土的滲透性和滲流問題 6滲水壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流概述2 土的滲透性和滲流問題 7滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面q概述2 土的滲透性和滲流問題 8滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述2 土的滲透性和滲流問題 9滲流滑坡滲流滑坡概述2 土的滲透性和滲流問題 10滲流量滲透變形滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律滲透力與滲透變形土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物 集水建筑物 引水結(jié)構(gòu)物 基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡概述2 土的滲透性和滲流問題 112.2 土的滲透性與滲透規(guī)律 一滲流中的總水頭與水力坡降二滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三滲透系數(shù)的測

3、定及影響因素四層狀地基的等效滲透系數(shù)2 土的滲透性和滲流問題 12abl2.2土體的滲透性透水層不透水層基坑板樁墻2 土的滲透性和滲流問題 一滲流中的水頭與水力坡降13abl一滲流中的水頭與水力坡降h1h2zawau wbu zbh00基準(zhǔn)面水力坡降線g2vuzh2w waa1uzh wbb2uzh 12hhh wuzh lhi 總水頭單位重量水體所具有的能量z：位置水頭u/w：壓力水頭v2/(2g)：流速水頭0a點(diǎn)總水頭：b點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 水頭差：測管水頭二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流h，q a，q l， qlhaq 斷面平均流

4、速水力坡降aqv lhi iv 1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖（與圖2-7對(duì)比）試驗(yàn)條件: h1=const， a=const l=const量測變量: h2，v，th=h1-h2q=v/t2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 2.達(dá)西定律vk isvvvn 滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律vi注意：aavvanav：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度a avqva vsavk: 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i1時(shí)的滲流速度單

5、位：mm/s, cm/s, m/s, m/day2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 162. 達(dá)西定律 適用條件：層流（線性流）2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律 巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍 在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。 可用雷諾數(shù)re進(jìn)行判斷：re5時(shí)層流re 200時(shí)紊流200 re 5時(shí)為過渡區(qū) 172. 達(dá)西定律（1）粗粒土：礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度 vcr=0.30.5cm/sivovcrivoi0 兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土 i

6、i0, v = k(i - i0 )(1)mvkim2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1. 測定方法2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 19 室內(nèi)試驗(yàn)方法1常水頭試驗(yàn)法三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 測定方法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件: h=const， a=const，l=const量測變量: v，ti=h/lv=qt=vatv=kihtavlk 適用土類：透水性較大的砂性土2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 hl土樣av

7、q 室內(nèi)試驗(yàn)方法2變水頭試驗(yàn)法透水性較小的粘性土?20三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法2變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件: h變化，a=const，l=const量測變量: h ，t2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 土樣at=t1h1t=t2h2lq水頭測管開關(guān)a21三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法2變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻： hdtdhdve= - adhdvo=kiadt=k (h/l)adtdve=dvo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh =k (h/l)adthdhkaaldt 21th0haldhdk

8、ah 21hhlnkaalt 21hhlnatalk 選擇幾組h1, h2, t ，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 土樣at=t1h1t=t2h2lq水頭測管開關(guān)ahdhtt+dt 野外測定方法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)1. 測定方法三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 地下水位測壓管水面井抽水量qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井a(chǎn)=2rhi=dh/drdrdhkrh2akiq khdh2rdrq )hh(krrlnq212212 212212hh)r/rln(qk 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：2.2土體的滲

9、透性2 土的滲透性和滲流問題 積分2.影響因素 粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)kf( 土土粒粒特特性性、流流體體特特性性）三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 242.影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 粒徑大小及級(jí)配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。（1）土粒特性的影響孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對(duì)于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。礦物成分：對(duì)粘性土，影響顆粒的表面力；不同

10、粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石伊里石蒙脫石；塑性指數(shù)ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對(duì)粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得 k水平 k垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。25飽和度 sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)876543280 90 100飽和度的影響流體粘滯性的影響溫度高粘滯性低滲透系數(shù)大封閉氣泡對(duì)k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道2.影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 （

11、2）流體特性的影響四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 27h1h2h3hhk1k2k3xzq1xq3xq2xl四.層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層水平滲流條件:mhiil xmxqqmhh等效滲透系數(shù):qx=vxh=kxihqmx=kmimhmxmm1kk hh 2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 28h1h2h3hhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)豎直滲流:v承壓水條件:mvvmhh mhh等效滲透系數(shù):mmmvhhk zkvhh mzmvhvhkk zmmhkhk mzmh11k

12、h k 2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 mmmmhvkh 算例 day/m100k,m0 . 1hday/m1k,m0 . 1hday/m01. 0k,m0 . 1h332211 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制day/m67.33hhkkiix day/m03. 0khhkiiz 四.層狀地基的等效滲透系數(shù)2.2土體的滲透性2 土的滲透性和滲流問題 302.1 概述 2.2 土體的滲透性第二章 土的滲透性和滲流問題 2.3 二維滲流與流網(wǎng) （略）2.4 滲透力與滲透變形 312.4 滲透力與滲透變形 一. 滲透力和臨界水力坡降1、試驗(yàn)觀察滲透變形滲透力

13、2 土的滲透性和滲流問題 二.土的滲透變形（滲透穩(wěn)定） 2、物理本質(zhì)3、計(jì)算方法土水整體分析土水隔離分析32一. 滲透力1、試驗(yàn)觀察h=0 靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。h0 水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力 j 滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a b2 土的滲透性和滲流問題 2.4 滲透力與滲透變形 33一. 滲透力h1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a b土粒滲 流j2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 滲透力與浮力有何區(qū)別？2、物理本質(zhì)34h200hwl土樣濾網(wǎng)

14、貯水器a bp2wp1r靜水中的土體a=1w = lsatl( + w)p1 = whwp2 = wh2r = ?r + p2 = w + p1r + wh2 = l( + w) + whw r = l 土水整體分析2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力3、計(jì)算方法35h1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a bp2wp1r靜水中的土體a=1w = lsatl( + w)p1 = whwp2 = wh1r = ?r + p2 = w + p1r + wh1 = l( + w) + whw r = l whr = l 滲流中的土體2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲

15、流問題 一. 滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法36h1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a bp2wp1r靜水中的土體a=1r = l whr = l 滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少減少的部分由誰承擔(dān)？水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力j = wh滲透力j = j/v = wh/l = wij = wi2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法37h1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a bp2wp1ra=1r = l wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少臨界水力坡降i = h/l = /wicr = /w l wh

16、= 0e1)1g(ws e11giscr 2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法38p2wp1rh1hh200hwl土樣濾網(wǎng)貯水器a ba=1p1+ ww+ j = p2水體的平衡條件j = wiwhw+ wl + j l= wh1wjwwj=r+p2p1p1 = whwp2 = wh1ww= vvw+ vsw= lwilhl)lhh(jwww1w 土水隔離分析2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力3、計(jì)算方法39滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j = wi大?。悍较颍号ci方向

17、一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）作用對(duì)象：土骨架2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力40基本類型 二.土的滲透變形（滲透穩(wěn)定） 流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件 防治措施 2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 41粘性土k1k2砂性土k2壩體1. 滲透變形的類型二.滲透變形 流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象crii0jw 和和土土的的密密實(shí)實(shí)程程度度有有關(guān)關(guān)egiscr 11 滲流原因：2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 421. 滲透變形的類型管涌原因：內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形成

18、大于細(xì)粒徑的孔隙通道外因滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級(jí)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)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 二.滲透變形 431. 滲透變形的類型 流土與管涌的比較 流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口二.滲透變形 2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 442.滲透破壞類型的判別 scrfiii fs: 安全系數(shù)1.52.0二.滲透變形 i : 允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流土經(jīng)驗(yàn)判斷：2.4 滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 無壓重時(shí)：45較均勻土（cu10）二.滲透變形2.滲透破壞類型的判別管涌管涌幾何條件水力條件一般發(fā)生在無粘性土中級(jí)配孔隙及細(xì)粒