第三章土的滲透性ppt課件

1、一、概述v土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)。當(dāng)土作為建筑物的地基和直接用作建筑材料時(shí)，水就會(huì)在水位差的作用下，從水位較高的一側(cè)透過土的孔隙流向水位較低的一側(cè)?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 關(guān)于防滲墻防滲墻射水法施工防滲墻化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 滲透的定義及土的滲透性 v水透過土體孔隙的現(xiàn)象成為滲透 v土具有被水透過的性能稱為土的滲透性v水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。v土的滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n

2、 水的問題v水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，說自身的量涌水量，滲水量）、質(zhì)水質(zhì)）、賦存位置地下水位的變化所引起的問題。 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 土的問題v土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基地穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結(jié)構(gòu)物中常常會(huì)由于水的

3、滲透而造成內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；非飽和的坡面會(huì)由于水分的滲透而造成土的強(qiáng)度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題。 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 二、Darcy滲透定律 v由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大，流速緩慢 層流水在土中的滲透速度和試樣兩端水面間的水位差成正比，而與滲徑長度成反比 hiLhkvkiAvAq化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n Darcy滲透定律vv 滲透速度cm/s或m/s）vq 滲流量cm3/s后m3/s）vi 水力梯度，沿滲流方向

4、單位距離的水頭v 損失，無因此vh 試樣兩端的水位差，即水頭損失vL 滲徑長度vk 滲透系數(shù)cm/s或m/s,m/d）vA 試樣截面積cm2或者m2）化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流速與水力梯度的關(guān)系砂土砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關(guān)系，符合達(dá)西滲透定律。化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流速與水力梯度的關(guān)系粘土對于密實(shí)的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值后，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。我們將這一開始發(fā)生滲透時(shí)的水力梯度成為粘性土的起始水力梯度ib化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n v粘性土不但存在起始水力梯度，而且當(dāng)水力梯度超過起始水力梯度

5、后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還偏離達(dá)西滲透定律而呈非線性關(guān)系。為方便，用虛直線來描述密實(shí)粘土地滲透速度與水力梯度的關(guān)系，用以下形式表示。 流速與水力梯度的關(guān)系粘土0iikv化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流速與水力梯度的關(guān)系礫土在粗粒土中礫、卵石等），只有在小的水力梯度下，滲透速度與水力梯度才呈非線性關(guān)系，而在較大的水力梯度下，水在土中流動(dòng)進(jìn)入紊流狀態(tài)，滲透速度與水力梯度呈非線性關(guān)系，此時(shí)達(dá)西定律同樣不能適用 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 留意v按照達(dá)西定律求出的滲透速度是一種假想的平均流速 ，它假定水在土中的滲透是通過土體截面來進(jìn)行的 。v實(shí)際上 ，水在土體中的實(shí)際流速要比用達(dá)西定律求

6、出的流速要大得多。，他們之間的關(guān)系為 eevnvv1化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n Darcy滲透定律的適用條件 v太沙基通過大量試驗(yàn)證明從砂土到粘土達(dá)西滲透定律在很大的范圍內(nèi)都能適用，其適用范圍是由雷諾系數(shù)來決定的，也就是說只有當(dāng)滲流為層流的時(shí)候才能適用。v根據(jù)水的密度，流速v，水的粘滯系數(shù)，土粒粒子平均粒徑d，可以算出雷諾數(shù)RevdRe化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n Darcy滲透定律的適用條件v從層流轉(zhuǎn)換為紊流時(shí)的Re數(shù)一般為0.17.5的范圍，而一般認(rèn)為在土的孔隙內(nèi)水流只要雷諾數(shù)10-1高滲透性純礫與礫混合物10-310-1中滲透性極細(xì)砂10-510-3低滲透性粉土、砂與粘土混合物

7、10-710-5極低滲透性粘土10-7幾乎不透水 影響滲透系數(shù)的因素很多，諸如土的種類、級配、孔隙比及水的溫度等。因此，為了準(zhǔn)確地測定土的滲透系數(shù)，必須盡力保持土的原始狀態(tài)并消除人為因素的影響 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 成層土的滲透系數(shù)v天然沉積土往往由滲透性不同的土層組成。對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況，當(dāng)各層的滲透系數(shù)和厚度已知時(shí)，我們可以求出整個(gè)土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲透計(jì)算的依據(jù)。與層面平行的情況iHkqxxniiixHkHk11niixxqq1iiixiHkq niiixiHkq1達(dá)西定律化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 與層面垂直的情況化學(xué)工業(yè)

8、出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 與層面垂直的情況AHhkqyyAikAHhkqiiiiiiynyyyyqqqq21水流連續(xù)原理達(dá)西定律任一土層流量iiyikHhkniiiykHHk1nnHiHiHih2211整個(gè)土層的水頭損失化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 結(jié)論v對于成層土，如果各土層的厚度大致相近，而滲透性相差懸殊時(shí)與層向平行的平均滲透系數(shù)將取決于最透水土層的厚度和滲透性與層向垂直的平均滲透系數(shù)將取決于最不透水土層的厚度和滲透性滲流力及滲透穩(wěn)定滲流土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題管涌、流土等水庫塌岸岸坡、土壩在水位降落時(shí)引起的滑動(dòng)化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 滲流力的

9、概念水在土中流動(dòng)能量消耗力圖拖曳土粒水頭損失滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力稱為滲流力滲透力、動(dòng)水壓力滲流力的概念流土、浮沖、砂沸滲流力存在abcdUw1Uw2FsWw化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 滲流力的概念化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 滲流力的概念滲流力的概念abWwwbhhUw211ahUw020sin1swFWUahhh12sinhbFwsiabFfwss化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 滲流力的概念v1點(diǎn)，滲流力與重力方向一致，滲流力促使土體壓密，對穩(wěn)定有利v2點(diǎn)，3點(diǎn)，滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不利v3點(diǎn)，滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版

10、社 n 滲透變形的形式v按照滲透水流引起的局部破壞特征，滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形式v流土是指在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時(shí)起動(dòng)而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流逸出處。v基坑或渠道開挖時(shí)所出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象是流土的一種常見形式化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流土化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流土化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 管涌v管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在砂礫土中。管涌管涌的治理v反濾倒?jié)B管涌的治理v反濾圍井管涌的治理v蓄水反壓整體破壞水庫塌岸按滲透變形劃分土的類型管涌土非管涌土在很大的水力梯度

11、下也不會(huì)發(fā)生管涌在不大的水力梯度下就可以發(fā)生管涌流土型管涌型化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 管涌土的劃分管涌土發(fā)展性管涌土非發(fā)展性管涌土管涌型土過渡型土流土型土非管涌土土化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 土的類型與滲透變形型式粘性土無粘性土過渡型土只有流土而無管涌與土的顆粒組成、級配和密度等因素有關(guān)與密度有關(guān)，大密度流土，小密度管涌化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 土的臨界水力梯度v抗?jié)B強(qiáng)度：土體抵抗?jié)B透破壞的能力，通常以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度表示，一般稱為臨界水力梯度或抗?jié)B梯度?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流土型土的臨界水力梯度逸出處單位土體nGeGswws118 . 9118 .

12、 9ijwnGiscr11臨界水力梯度化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 流土型土的臨界水力梯度nGiscr11 流土的臨界水力梯度決定于土的物理性質(zhì)，當(dāng)土的比重和孔隙率已知時(shí)，則土的臨界水力梯度是一定值，一般在0.81.2之間 根據(jù)豎向滲流不考慮周圍土體的約束作用情況下推得的，因此，按此式求得臨界水力梯度偏小，一般比試驗(yàn)值要小1520化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 黏性土的臨界水力梯度v黏性土由于粒間粘結(jié)力的存在，其臨界水力梯度較大。v黏性土與無粘性土的流土破壞機(jī)理不同，后者是由于滲流力的作用，前者則還與土體表面的水化崩解作用水穩(wěn)性以及滲流出口臨空面的孔徑有關(guān)。水科院建議對粘性土201179

13、. 01124CDnnniLcr逸出梯度與滲透穩(wěn)定v流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。creii creii creii 土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于流土狀態(tài)化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 逸出梯度與滲透穩(wěn)定v滲透逸出的水力梯度實(shí)際上是不可求出的，通常是把滲流逸出處的流網(wǎng)網(wǎng)格的平均水力梯度作為逸出梯度。v在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，通常要求將逸出梯度限制在容許梯度之內(nèi)Lhie screFiii化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 管涌型土的臨界水力梯度v管涌是單個(gè)土粒在土體中移動(dòng)和帶出，水科院提出的管涌土臨界水力梯度的計(jì)算公式為205211

14、2 . 2ddnGiscrv根據(jù)滲流場中單個(gè)土粒收到的滲流力、浮力以及自重作用時(shí)的極限平衡條件，并結(jié)合試驗(yàn)資料分析而得到管涌土的臨界水力梯度流速與水力梯度的關(guān)系化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 臨界水力梯度與不均勻系數(shù)的關(guān)系v土的不均勻系數(shù)越大，臨界水力梯度越小。v結(jié)論不是絕對的化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 臨界水力梯度與細(xì)料含量的關(guān)系v滲透變形特性主要取決于細(xì)料的含量，或者說取決于細(xì)料填充粗料孔隙的程度。化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 臨界水力梯度與滲透系數(shù)的關(guān)系v無粘性土的滲透性與滲透變形特性有著直接的關(guān)系，對于不均勻土，如果透水性強(qiáng)，抵抗?jié)B透變形的能力就差，如果透水性弱，抵抗?jié)B透變

15、形的能力就強(qiáng)化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 防止?jié)B透變形的方法v減小水力梯度降水頭，增加滲徑）水平防滲v在滲流逸出處加蓋壓重或設(shè)置反濾層v 垂直防滲化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 飽和土體中的孔隙水應(yīng)力v孔隙水應(yīng)力：飽和土體中由孔隙水來承擔(dān)或傳遞的應(yīng)力定義為孔隙水應(yīng)力，常用u表示。wwhuv孔隙水應(yīng)力的特性與通常的靜水壓力一樣，方向始終垂直于作用面，任一點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力在各個(gè)方向是相等的?；瘜W(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 飽和土體中的有效應(yīng)力v有效應(yīng)力：通過粒間接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力，只有有效應(yīng)力才能使得土體產(chǎn)生壓縮或固結(jié)和強(qiáng)度。v把研究平面內(nèi)所有粒間接觸面上接觸力的法向分力之和除以所

16、研究平面的總面積所得的平均應(yīng)力來定義有效應(yīng)力ANs化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 飽和土體中的有效應(yīng)力化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 太沙基有效應(yīng)力原理uAANAssANsv對飽和土體內(nèi)某一研究平面ua1u化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 有效應(yīng)力原理v當(dāng)總應(yīng)力保持不變時(shí)，孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化，即孔隙水應(yīng)力減小增大等于有效應(yīng)力的等量增加減?。﹙非常重要！化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 靜水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力21hhsatw21hhhuwww2hu化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 n 穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力v向下滲流hhhhuwww2121hhsatwhhuw2穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力v向上滲流21hhswhhhhuww21h