土力學(xué)與地基基礎(chǔ)土的滲透性圖文學(xué)習(xí)教案

1、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)土的滲透性圖文土力學(xué)與地基基礎(chǔ)土的滲透性圖文(t wn)第一頁(yè)，共50頁(yè)。2.1 概述（Summary）2.2 滲透理論(lln)(theory of seepage )2.3 流網(wǎng)及其工程應(yīng)用（flow net and its application）2.4 土中滲流的作用力及滲流變形 ( Seepage force and deformation in soil)第1頁(yè)/共50頁(yè)第二頁(yè)，共50頁(yè)。太沙基K（Karl Terzaghi,18831963）太沙基K（Karl Terzaghi,18831963），美籍奧地利土力學(xué)家，現(xiàn)代土力學(xué)的創(chuàng)始人。獲得過9個(gè)名譽(yù)博士學(xué)位，受

2、過多種獎(jiǎng)勵(lì)。他是唯一得到過4次美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)最高獎(jiǎng)諾曼獎(jiǎng)的杰出學(xué)者。為了表彰他的功勛，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)還建立了太沙基獎(jiǎng)及講座。1923年太沙基發(fā)表了滲透固結(jié)理論，第一次科學(xué)地研究土體的固結(jié)過程，同時(shí)提出了土力學(xué)的一個(gè)基本原理，即有效應(yīng)力原理。1925年，他發(fā)表的世界上第一本土力學(xué)專著建立在土的物理學(xué)基礎(chǔ)的土力學(xué)被公認(rèn)為是進(jìn)入現(xiàn)代土力學(xué)時(shí)代(shdi)的標(biāo)志。隨后發(fā)表的理論土力學(xué)和實(shí)用土力學(xué)（中譯名）全面總結(jié)和發(fā)展了土力學(xué)的原理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，至今仍為工程界的重要參考文獻(xiàn)。 第2頁(yè)/共50頁(yè)第三頁(yè)，共50頁(yè)。飽和土中的應(yīng)力飽和土中的應(yīng)力(yngl)形態(tài)形態(tài)外荷載外荷載 總應(yīng)力總應(yīng)力 飽和土是由

3、土顆粒和水組成的兩相體。當(dāng)外荷載作用時(shí)，這些飽和土是由土顆粒和水組成的兩相體。當(dāng)外荷載作用時(shí)，這些(zhxi)荷載是由土骨架承擔(dān)還是由孔隙水承擔(dān)，涉及到土骨架和孔隙水兩個(gè)受力體系的問題。荷載是由土骨架承擔(dān)還是由孔隙水承擔(dān)，涉及到土骨架和孔隙水兩個(gè)受力體系的問題。第3頁(yè)/共50頁(yè)第四頁(yè)，共50頁(yè)。土單元土單元(dnyun)(dnyun)的斷面積的斷面積 A A顆粒顆粒(kl)(kl)接觸點(diǎn)的面積接觸點(diǎn)的面積 AS AS孔隙孔隙(kngx)(kngx)水的斷面積水的斷面積 Aw Aw uwsvAuPA 斷面豎向力平衡：斷面豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv 飽和土有效應(yīng)力原理飽和土有效應(yīng)力原

4、理P接觸點(diǎn)第4頁(yè)/共50頁(yè)第五頁(yè)，共50頁(yè)。自重(zzhng)應(yīng)力下的兩種力系 uhzzw(z+h)u （1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加孔隙(kngx)水壓力之和 （2）土的變形和強(qiáng)度取決于有效應(yīng)力而不是總應(yīng)力有效應(yīng)力（effective stress）是由顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力，會(huì)使土的顆粒產(chǎn)生位移，引起土體的變形和強(qiáng)度的變化的應(yīng)力?？紫端畨毫Γ╬ore water pressure）由孔隙水傳遞的應(yīng)力，它不能直接引起土體的變形和強(qiáng)度變化，不隨時(shí)間而變化。 第5頁(yè)/共50頁(yè)第六頁(yè)，共50頁(yè)。p 是土體發(fā)生變形的原因：顆粒是土體發(fā)生變形的原因：顆粒(kl)間克服摩擦相對(duì)滑移

5、、滾動(dòng)以及在接間克服摩擦相對(duì)滑移、滾動(dòng)以及在接觸點(diǎn)處由于應(yīng)力過大而破碎均與觸點(diǎn)處由于應(yīng)力過大而破碎均與有有關(guān)關(guān)p 是土體強(qiáng)度的成因：土的凝聚力和粒是土體強(qiáng)度的成因：土的凝聚力和粒間摩擦力均與間摩擦力均與有關(guān)有關(guān)第6頁(yè)/共50頁(yè)第七頁(yè)，共50頁(yè)。第7頁(yè)/共50頁(yè)第八頁(yè)，共50頁(yè)。第8頁(yè)/共50頁(yè)第九頁(yè)，共50頁(yè)。分成三個(gè)問題討論：分成三個(gè)問題討論：第9頁(yè)/共50頁(yè)第十頁(yè)，共50頁(yè)。應(yīng)滿足的條件：模型的流量等于真實(shí)的流量； 模型的壓力等于真實(shí)的壓力模型所受到的阻力(zl)與真實(shí)滲流所受到的阻力(zl)相等。第10頁(yè)/共50頁(yè)第十一頁(yè)，共50頁(yè)。第11頁(yè)/共50頁(yè)第十二頁(yè)，共50頁(yè)。必須指出:由上式

6、V = q/A求出的滲透速度是一種(y zhn)假想的平均流速，因?yàn)樗俣ㄋ谕林械臐B透是通過整個(gè)土體截面來進(jìn)行的，而實(shí)際上，滲透水僅僅通過土體中的孔隙流動(dòng)，實(shí)際平均流速要比假想的平均流速大很多。它們之間的關(guān)系為：eevnvv100由于真實(shí)速度很難測(cè)定，因此在工程上對(duì)于滲透(shntu)速度，還是用單位時(shí)間內(nèi)通過土體單位面積的水量這種平均滲透(shntu)速度來代替真實(shí)速度。第12頁(yè)/共50頁(yè)第十三頁(yè)，共50頁(yè)。描述內(nèi)容：滲透能量損失與滲流速(li s)度之間的關(guān)系. 著名的達(dá)西(Darcy)滲透定律：滲透速度：v滲流速(li s)度，cm/s。是單位時(shí)間內(nèi)流過單位土截面積的水量，i水頭梯度或

7、水力坡降。k滲透系數(shù)，cm/s。由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大、流速(li s)緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于層流。hvkkil第13頁(yè)/共50頁(yè)第十四頁(yè)，共50頁(yè)。達(dá)西滲透(shntu)實(shí)驗(yàn)裝置12hhQkAvAkiAl二、達(dá)西滲透定律二、達(dá)西滲透定律第14頁(yè)/共50頁(yè)第十五頁(yè)，共50頁(yè)。砂土、一般粘土顆粒極細(xì)的粘土0()vk ii第15頁(yè)/共50頁(yè)第十六頁(yè)，共50頁(yè)。第16頁(yè)/共50頁(yè)第十七頁(yè)，共50頁(yè)。滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個(gè)指標(biāo)(zhbio)，其數(shù)值的正確確定對(duì)滲透計(jì)算有著非常重要的意義。影響滲透系數(shù)的因素:影響滲透系數(shù)大小的因素很多，主要取

8、決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的粘滯性等，要建立計(jì)算滲透系數(shù)k的精確理論公式比較困難， 影響砂性土滲透性的主要因素是:顆粒大小、級(jí)配、密度以及土中封閉氣泡。 土顆粒愈粗，愈渾圓、愈均勻，滲透性愈大。 級(jí)配良好土，細(xì)顆粒填充粗顆粒孔隙中，土體孔隙減小，滲透性變??； 滲透性隨相對(duì)密實(shí)度Dr增加而減小。 土中封閉氣體不僅減少了土體斷面上的過水通道面積，而且堵塞某些通道，使土體滲透性減小。第17頁(yè)/共50頁(yè)第十八頁(yè)，共50頁(yè)。影響粘性土滲透性的因素比砂性土更為復(fù)雜。粘性土中含有親水性礦物(kungw)(如蒙脫石)或有機(jī)質(zhì)時(shí)，由于它們具有很大的膨脹性，就大大降低土的滲透性。含有大量有機(jī)質(zhì)的淤泥

9、幾乎是不透水的。粘性土中若土粒的結(jié)合水膜厚度較厚時(shí)，會(huì)阻塞土的孔隙，降低土的滲透性。另外，土體各向異性和應(yīng)力各向異性造成了土體滲透性的各向異性。如層狀粘土，由于水平粉細(xì)砂層的存在，使水平向滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎直向滲透系數(shù)；西北地區(qū)的黃土，具有豎直方向的大孔隙。那么豎直方向的滲透性要比水平方向的大得多?？梢?，土的礦物(kungw)成分、結(jié)合水膜厚度、土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及土中氣體等都影響粘件土的滲透性。第18頁(yè)/共50頁(yè)第十九頁(yè)，共50頁(yè)。滲透系數(shù)k通常可通過以下方法測(cè)定：1）試驗(yàn)方法: 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法：常水頭試驗(yàn)法，適用(shyng)于透水性大的砂性土 變水頭試驗(yàn)法，適用(shyng)于透水性小的無(wú)粘性

10、土 現(xiàn) 場(chǎng) 測(cè)定法：實(shí)測(cè)流速法：色素法、電解質(zhì)法、食鹽法 注水法 抽水法2）經(jīng)驗(yàn)方法： 經(jīng) 驗(yàn) 估 算 法 來確定k值。 第19頁(yè)/共50頁(yè)第二十頁(yè)，共50頁(yè)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)就原理而言，可分為常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)。(一)常水頭法是在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭保持不變。常水頭法適用于透水性強(qiáng)的無(wú)粘性土。k 10-3 為細(xì)砂到中等(zhngdng)卵石土的滲透系數(shù)：下頁(yè)所示為基馬式滲透儀VlkAht三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定(qudng)第20頁(yè)/共50頁(yè)第二十一頁(yè)，共50頁(yè)。三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定(qudng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法第21頁(yè)/共50頁(yè)第二十二頁(yè)，共50

11、頁(yè)。(二)變水頭(shutu)法在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭(shutu)是隨著時(shí)間而變化的。變水頭(shutu)法適用于透水性弱的粘性土。透水性較小 (10-7 k10-3) 粘性土土的滲透系數(shù)：或 下頁(yè)為南55型滲透儀1212ln()ha lkA tth12122.3lg()ha lkA tth三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定(qudng)第22頁(yè)/共50頁(yè)第二十三頁(yè)，共50頁(yè)。三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定(qudng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法第23頁(yè)/共50頁(yè)第二十四頁(yè)，共50頁(yè)。有野外注水試驗(yàn)和抽水(chu shu)試驗(yàn)等，是在現(xiàn)場(chǎng)鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水(chu s

12、hu)時(shí)，量測(cè)地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應(yīng)的理論公式求出滲透系數(shù)k值。三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定第24頁(yè)/共50頁(yè)第二十五頁(yè)，共50頁(yè)。210dK 22102edK三、滲透系數(shù)的確定三、滲透系數(shù)的確定(qudng)第25頁(yè)/共50頁(yè)第二十六頁(yè)，共50頁(yè)。天然沉積土往往由滲透性不同的土層所組成。對(duì)于與土層層面平行和垂直的簡(jiǎn)單(jindn)滲流情況，當(dāng)各土層的滲透系數(shù)和厚度為已知時(shí)，我們可求出整個(gè)土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲流計(jì)算的依據(jù)。第26頁(yè)/共50頁(yè)第二十七頁(yè)，共50頁(yè)。平行土層層面方向：如前圖(a)所示與層面平行的滲流情況。通過整個(gè)土層的總滲流量qx應(yīng)為

13、各土層滲流量之總和(zngh)，即整個(gè)土層與層面平行的平均滲流系數(shù)為：niixnxxxxqqqqq12111nxiiikk hh第27頁(yè)/共50頁(yè)第二十八頁(yè)，共50頁(yè)。垂直土層層面方向：如前圖(b)所示與層面垂直的滲流(shn li)情況。通過整個(gè)土層的總滲流(shn li)量qy應(yīng)為各土層滲流(shn li)量，即整個(gè)土層與層面垂直的平均滲流(shn li)系數(shù)為：nyyyyqqqq2112112()ynniinihhkhhhhkkkk第28頁(yè)/共50頁(yè)第二十九頁(yè)，共50頁(yè)。一、二向滲流一、二向滲流如果土是各向同性的如果土是各向同性的kxkx等于等于kyky，則，則上式就是著名的拉普拉斯上式

14、就是著名的拉普拉斯(Laplace)(Laplace)方程，它是描述穩(wěn)定滲流的基本方方程，它是描述穩(wěn)定滲流的基本方程式。程式。二、流網(wǎng)及其特征二、流網(wǎng)及其特征 就滲流問題來說，一組曲線稱為等勢(shì)線，在任一條等勢(shì)線上各就滲流問題來說，一組曲線稱為等勢(shì)線，在任一條等勢(shì)線上各點(diǎn)的總水頭是相等的；另一組曲線稱為流線，它們代表滲流的方向。等點(diǎn)的總水頭是相等的；另一組曲線稱為流線，它們代表滲流的方向。等勢(shì)線和流線交織勢(shì)線和流線交織(jiozh)(jiozh)在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)。在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)。2222xy22220(kk0)hhhhxyxy各向異性：第29頁(yè)/共50頁(yè)第三十頁(yè)，共50頁(yè)。流網(wǎng)的確

15、定方法流網(wǎng)的確定方法(fngf)(fngf)：對(duì)于各向同性的滲透介質(zhì)，流對(duì)于各向同性的滲透介質(zhì)，流網(wǎng)具有下列特征：網(wǎng)具有下列特征：流線與等勢(shì)線彼此正交；流線與等勢(shì)線彼此正交；每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比為常數(shù)；每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比為常數(shù)；相鄰等勢(shì)線間的水頭損失相等；相鄰等勢(shì)線間的水頭損失相等；各流槽的滲流量相等。各流槽的滲流量相等。第30頁(yè)/共50頁(yè)第三十一頁(yè)，共50頁(yè)。02222yhxh2.3 流網(wǎng)及其工程(gngchng)應(yīng)用第31頁(yè)/共50頁(yè)第三十二頁(yè)，共50頁(yè)。1nNh正確地繪制出流網(wǎng)后，可以用它來求解滲流(shn li)量、滲流(shn li)速度及滲流(shn li)區(qū)的孔隙水壓力(1)hkhvk

16、iklnl2.3 流網(wǎng)(liwng)及其工程應(yīng)用第32頁(yè)/共50頁(yè)第三十三頁(yè)，共50頁(yè)。2.2.滲流量計(jì)算滲流量計(jì)算由于任意相鄰兩條流線之間的單位滲流量相等，設(shè)整個(gè)流網(wǎng)中的流線數(shù)量為由于任意相鄰兩條流線之間的單位滲流量相等，設(shè)整個(gè)流網(wǎng)中的流線數(shù)量為m m，則單位寬度內(nèi)總的滲流量，則單位寬度內(nèi)總的滲流量q q為：為：式中：式中： q q 為任意兩相鄰流線間的單位滲流量，為任意兩相鄰流線間的單位滲流量，q q、 q q的單位為的單位為m3/d.mm3/d.m，設(shè)網(wǎng)格，設(shè)網(wǎng)格(wn(wn )的過水?dāng)嗝鎸挾葹榈倪^水?dāng)嗝鎸挾葹閎 b，網(wǎng)格，網(wǎng)格(wn(wn )的滲流速度為的滲流速度為v v，則，則而單寬

17、內(nèi)的總滲流量為而單寬內(nèi)的總滲流量為: :(1)qmq1khqv bbnl (1)(1)kh mbqnl2.3 流網(wǎng)(liwng)及其工程應(yīng)用第33頁(yè)/共50頁(yè)第三十四頁(yè)，共50頁(yè)。uwuh2.3 流網(wǎng)及其工程(gngchng)應(yīng)用第34頁(yè)/共50頁(yè)第三十五頁(yè)，共50頁(yè)。滲流對(duì)工程的影響：滲流對(duì)工程的影響： 在許多水工建筑物、土壩及基坑工程中，滲透力的大小是影響工程安全的重要因素之一。實(shí)際工程中，也有過不少在許多水工建筑物、土壩及基坑工程中，滲透力的大小是影響工程安全的重要因素之一。實(shí)際工程中，也有過不少(b sho)(b sho)發(fā)生滲透變形發(fā)生滲透變形( (流土或管涌流土或管涌) )的事例，

18、嚴(yán)重的使工程施工中斷，甚至危及鄰近建筑物與設(shè)施的安全。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)，對(duì)滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視。的事例，嚴(yán)重的使工程施工中斷，甚至危及鄰近建筑物與設(shè)施的安全。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)，對(duì)滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視。滲流所引起的穩(wěn)定問題：滲流所引起的穩(wěn)定問題： 土體的局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題土體的局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題 土體的整體穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題第35頁(yè)/共50頁(yè)第三十六頁(yè)，共50頁(yè)。一、滲透力一、滲透力滲透力的概念滲透力的概念 水在土中流動(dòng)的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸水在土中

19、流動(dòng)的過程中將受到土阻力的作用，使水頭逐漸損失。同時(shí)，水的滲透將對(duì)土骨架損失。同時(shí)，水的滲透將對(duì)土骨架(gji)(gji)產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。 滲透力：滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力，也稱滲流滲透力：滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力，也稱滲流力、動(dòng)水壓力，用力、動(dòng)水壓力，用 f f 表示表示(kN/m3)(kN/m3)。第36頁(yè)/共50頁(yè)第三十七頁(yè)，共50頁(yè)。可通過如下的一個(gè)小試驗(yàn)來驗(yàn)證可通過如下的一個(gè)小試驗(yàn)來驗(yàn)證當(dāng)容器當(dāng)容器B提升到一定高度，容提升到一定高度，容器器A與容器與容器B內(nèi)水位差達(dá)到一內(nèi)水位差達(dá)到一定值時(shí)

20、，可以看到砂面出現(xiàn)沸定值時(shí)，可以看到砂面出現(xiàn)沸騰那樣的景象騰那樣的景象(jngxing)，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為流土或浮沖、砂沸。流土或浮沖、砂沸。滲透力滲透力 f 的大小與水力梯度成正比，其作用方向與滲流（或流向）方的大小與水力梯度成正比，其作用方向與滲流（或流向）方向一致，是一種體積力。向一致，是一種體積力。滲流滲流(shn li)力是否存在？力是否存在？第37頁(yè)/共50頁(yè)第三十八頁(yè)，共50頁(yè)。wfi第38頁(yè)/共50頁(yè)第三十九頁(yè)，共50頁(yè)。 單元體四個(gè)頂點(diǎn)的測(cè)壓管水頭如圖（a）所示 根據(jù)孔隙(kngx)水壓力的計(jì)算方法，可以作出單元體上各個(gè)面的孔隙(kngx)水壓力分布圖，如圖（b）所

21、示由此可求出平行水流方向的作用力U1、垂直水流方向的作用力U2112()wUhh b20wUh b第39頁(yè)/共50頁(yè)第四十頁(yè)，共50頁(yè)。設(shè)土粒對(duì)水流的總阻力記為Fs由幾何(j h)條件可求得：wwwGVab2.4 土中滲流的作用力及滲透(shntu)變形水在土中滲流時(shí)還受到土粒對(duì)水流的阻力(zl)和本身的重量GW的作用ahhh12sin0coshb在平行水流方向，運(yùn)用力的平衡條件：1sin0wsUGF12()sinswwFhh bab第40頁(yè)/共50頁(yè)第四十一頁(yè)，共50頁(yè)。又因?yàn)?yn wi)hbFwsahhh12siniahabFfwwss單位(dnwi)體積內(nèi)土粒受到的單位(dnwi)滲流

22、力為：2.4 土中滲流的作用力及滲透(shntu)變形第41頁(yè)/共50頁(yè)第四十二頁(yè)，共50頁(yè)。滲透變形滲透變形滲透變形可分為：流土和管涌?jī)煞N基本形式。滲透變形可分為：流土和管涌?jī)煞N基本形式。流土：在滲流流土：在滲流(shn li)作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時(shí)起動(dòng)而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。主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流流失的現(xiàn)象。主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流(shn li)溢出處。溢出處。(滲流滲流(shn li)水流將整個(gè)土體帶走水流將整個(gè)土體帶走)管涌：在滲流管涌：在滲流(shn li)作用下土體中的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道作用下土體中的細(xì)土粒在粗土粒

23、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。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。(土體大顆粒之間的小土體大顆粒之間的小顆粒被沖出顆粒被沖出)第42頁(yè)/共50頁(yè)第四十三頁(yè)，共50頁(yè)。wscrw(1)111sweief土的 土體的單位(dnwi)有效重力wi 水力(shul)梯度土體的單位有效重力或2.4 土中滲流的作用力及滲透變形第43頁(yè)/共50頁(yè)第四十四頁(yè)，共50頁(yè)。流土一般發(fā)生在滲流逸出處，根據(jù)逸出梯度ie： ie icr 流土在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物安全，通常要求將溢出坡降icr限制在容許坡降i之內(nèi)，即在式 i = icr /Fs中，F(xiàn)s為流土安全系數(shù)，常取1.52.5粘性土發(fā)生流土破壞的機(jī)理與無(wú)粘性土不完全相同，因?yàn)榍罢卟粌H僅是由于滲流力作用的結(jié)果，而且(r qi