第二章+滲透性與滲流(第三講)

1、2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1. 1. 滲透規(guī)律滲透規(guī)律達(dá)西定律達(dá)西定律適用條件適用條件影響因素影響因素確定方法確定方法實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用成層地基成層地基vk i評(píng)價(jià)水在土中滲透規(guī)律，關(guān)鍵是要解決好兩個(gè)問(wèn)題評(píng)價(jià)水在土中滲透規(guī)律，關(guān)鍵是要解決好兩個(gè)問(wèn)題： 1. 確定滲透系數(shù)滲透系數(shù) 2. 確定水力坡降水力坡降 4）實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用2）繪制方法繪制方法3）流網(wǎng)特點(diǎn)流網(wǎng)特點(diǎn)1）基本要求基本要求正交性；各個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比取c=1，即為曲邊正方形；在邊界上滿足流場(chǎng)邊界條件要求，保證解的唯一性。與上下游水位變化無(wú)關(guān)， h=const；等勢(shì)線上各點(diǎn)測(cè)管水頭H相等；與k k無(wú)關(guān)。iiiikv確定邊界流線和首尾等

2、勢(shì)線流線等勢(shì)線反復(fù)修改，調(diào)整；一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過(guò)多次的修改后才能完成。本節(jié)要點(diǎn)本節(jié)要點(diǎn)：流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 測(cè)管水頭：測(cè)管水頭： =位置水頭壓力水頭位置水頭壓力水頭 水力坡降：水力坡降：ilhi/ zwHH()iiiikvhMkMqqhkslhkqiiiii ; 確定孔壓：確定孔壓： 確定流速：確定流速： 確定流量確定流量：壓力水頭壓力水頭3 3）平面滲流條件下的滲透力）平面滲流條件下的滲透力 復(fù)雜條件復(fù)雜條件總滲透力總滲透力 J 大大 小?。?j x 網(wǎng)格面積網(wǎng)格面積 方方 向向： 與流線一致與流線一致 作用點(diǎn)作用點(diǎn)： 形心形心 流網(wǎng)流網(wǎng)ijihl/2 2）受力分析）受

3、力分析1. 1. 滲透力滲透力1 1）試驗(yàn)觀察）試驗(yàn)觀察HH00lisi Jhji總滲透力總滲透力滲透力滲透力2） 滲透穩(wěn)定滲透穩(wěn)定 c rsiiiF試驗(yàn)確定試驗(yàn)確定公式計(jì)算公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)估計(jì) 允許水力坡降允許水力坡降（視土類(lèi)及破壞類(lèi)型而定視土類(lèi)及破壞類(lèi)型而定）實(shí)際水力坡降實(shí)際水力坡降（由流網(wǎng)求出由流網(wǎng)求出） 流土流土：1.52.1（開(kāi)始至破壞時(shí)間短開(kāi)始至破壞時(shí)間短）管涌管涌 ：稍小一些稍小一些（開(kāi)始至破壞歷時(shí)長(zhǎng)開(kāi)始至破壞歷時(shí)長(zhǎng)）1） 基本類(lèi)型基本類(lèi)型 ：2. 2. 滲透變形滲透變形 流土與管涌流土與管涌 1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理飽和土飽和土孔隙水孔隙水固體顆粒骨架固體顆粒骨

4、架+ +兩相系兩相系 土有兩個(gè)承擔(dān)和傳遞力的系統(tǒng)：土骨架和孔隙流體土有兩個(gè)承擔(dān)和傳遞力的系統(tǒng)：土骨架和孔隙流體； 飽和土是土骨架和孔隙水所組成的兩相系飽和土是土骨架和孔隙水所組成的兩相系； 作用在飽和土上的力由骨架和孔隙水共同承擔(dān)作用在飽和土上的力由骨架和孔隙水共同承擔(dān)； 由土骨架承擔(dān)的力，主要是通過(guò)顆粒之間的接觸點(diǎn)由土骨架承擔(dān)的力，主要是通過(guò)顆粒之間的接觸點(diǎn) 傳遞的，稱(chēng)之為粒間作用力，記為傳遞的，稱(chēng)之為粒間作用力，記為P Ps s； 由孔隙水承擔(dān)的力，一般僅是球應(yīng)力?？紫端杏煽紫端袚?dān)的力，一般僅是球應(yīng)力。孔隙水所承 受的法向應(yīng)力或者球應(yīng)力可以通過(guò)彼此連通的孔隙受的法向應(yīng)力或者球應(yīng)力可以

5、通過(guò)彼此連通的孔隙 水傳遞，稱(chēng)之為孔隙水壓力，記為水傳遞，稱(chēng)之為孔隙水壓力，記為u uPSPSaa)(zs 總應(yīng)力總應(yīng)力 粒間傳遞的壓力粒間傳遞的壓力 + 孔隙水壓力孔隙水壓力 )(zsz APsv 飽和土的有效應(yīng)力原理揭示了飽和土飽和土的有效應(yīng)力原理揭示了飽和土所承受的總應(yīng)力、粒間傳遞的應(yīng)力和孔所承受的總應(yīng)力、粒間傳遞的應(yīng)力和孔隙水壓力三者之間的關(guān)系隙水壓力三者之間的關(guān)系。1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理aaPSPS)(zzs uuAAAPwvS 取單元體取單元體： 1 1）飽和土飽和土aaPSPS應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力狀態(tài)分析)(zzs 定義：有效應(yīng)力定義：有效應(yīng)力 01 swAAAu 飽和

6、土有效應(yīng)力原理揭示了外力作用下土體中一點(diǎn)的總應(yīng)力、有效壓力飽和土有效應(yīng)力原理揭示了外力作用下土體中一點(diǎn)的總應(yīng)力、有效壓力和孔隙水壓力三者之間的關(guān)系和孔隙水壓力三者之間的關(guān)系1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理 列平衡方程列平衡方程： SvPwSAAA uwvSAuPA )(zzs 物理本質(zhì)物理本質(zhì):a. a. 揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理uuxxyx zxxyxzyxyyzyxyyzzxzyzzxzyzu000u000u一般地一般地 孔隙水壓力的作用孔

7、隙水壓力的作用 對(duì)摩擦、土顆粒破碎沒(méi)有貢獻(xiàn)，它在各個(gè)方向相等，只能使對(duì)摩擦、土顆粒破碎沒(méi)有貢獻(xiàn)，它在各個(gè)方向相等，只能使土顆粒本身受到靜水的壓力，由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本土顆粒本身受到靜水的壓力，由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身不會(huì)有壓縮變形。孔隙水壓力對(duì)變形強(qiáng)度沒(méi)有直接的影響，又稱(chēng)之身不會(huì)有壓縮變形?？紫端畨毫?duì)變形強(qiáng)度沒(méi)有直接的影響，又稱(chēng)之為為中性應(yīng)力中性應(yīng)力。1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理b. b. 揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。a. a. 揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用

8、的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。u 變形的原因變形的原因1mu=10KPa104mu=100MPa海床對(duì)土粒的反力哪一種情況下要更大一些？海床對(duì)土粒的反力哪一種情況下要更大一些？ 哪個(gè)土粒更容易被推動(dòng)？哪個(gè)土粒更容易被推動(dòng)？顆粒相對(duì)滑移、滾動(dòng)（克服滑動(dòng)摩擦顆粒相對(duì)滑移、滾動(dòng)（克服滑動(dòng)摩擦 ） 與 成正比接觸點(diǎn)處應(yīng)力過(guò)大而破碎接觸點(diǎn)處應(yīng)力過(guò)大而破碎 與 有關(guān)大孔隙消失大孔隙消失 細(xì)粒土受到剪壓作用細(xì)粒土受到剪壓作用與 有關(guān) 孔隙水壓力的作用孔隙水壓力的作用1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理b. b. 揭示了飽和土的強(qiáng)度和

9、變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。a. a. 揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。物理本質(zhì)物理本質(zhì):u 強(qiáng)度的成因強(qiáng)度的成因土的強(qiáng)度以摩阻力為主土的強(qiáng)度以摩阻力為主摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度（砂土砂土）1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理 變形的原因變形的原因 孔隙水壓力的作用孔隙水壓力的作用b. b. 揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制。a

10、. a. 揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的。物理本質(zhì)物理本質(zhì):uc. c. 有效應(yīng)力原理應(yīng)用的關(guān)鍵是測(cè)算土中的孔隙水壓力有效應(yīng)力原理應(yīng)用的關(guān)鍵是測(cè)算土中的孔隙水壓力 總總應(yīng)力應(yīng)力 可確定可確定 有效應(yīng)力有效應(yīng)力 不可測(cè)不可測(cè) 孔隙水壓力孔隙水壓力 u 可測(cè)定或算定可測(cè)定或算定 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法：模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變條件，測(cè)定孔壓大小變化模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變條件，測(cè)定孔壓大小變化 ； 原位測(cè)定方法原位測(cè)定方法：在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)孔壓傳感器：在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)孔壓傳感器測(cè)定測(cè)定 幾種常見(jiàn)條件幾種常見(jiàn)條件下可以計(jì)算

11、下可以計(jì)算； 對(duì)對(duì)加載條件、邊界條件均較復(fù)雜的加載條件、邊界條件均較復(fù)雜的情況，計(jì)算方法很復(fù)雜情況，計(jì)算方法很復(fù)雜, , 其中許多課題目前還有待研究其中許多課題目前還有待研究。算定算定1. 1. 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理b. b. 揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制揭示了飽和土的強(qiáng)度和變形是由有效應(yīng)力控制的，而不是由總應(yīng)力控制a. a. 揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的揭示了飽和土體內(nèi)任一平面上作用的總應(yīng)力是由有效應(yīng)力和孔隙水壓組成的u物理本質(zhì)物理本質(zhì): uH 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水

12、條件靜水條件自重應(yīng)力自重應(yīng)力sz sz=z z， sz sz是指有是指有效應(yīng)力，地下水位以下效應(yīng)力，地下水位以下sz sz 計(jì)算采計(jì)算采用浮容重用浮容重, ,是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架的浮托力，減輕了土的有效重量，的浮托力，減輕了土的有效重量，從有效應(yīng)力原理的角度講，從有效應(yīng)力原理的角度講，u u=wwz zww（存在著孔隙水壓力存在著孔隙水壓力）。）。HwZzwsatzH wwz wzH 0 uH wwwzzH 水平地基水平地基zzu注意注意孔隙水壓力孔隙水壓力 = 靜水壓力靜水壓力 H 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件自

13、重應(yīng)力自重應(yīng)力sz sz=z z， sz sz是指有是指有效應(yīng)力，地下水位以下效應(yīng)力，地下水位以下sz sz 計(jì)算采計(jì)算采用浮容重用浮容重, ,是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架的浮托力，減輕了土的有效重量，的浮托力，減輕了土的有效重量，從有效應(yīng)力原理的角度講，從有效應(yīng)力原理的角度講，u u=wwz zww（存在著孔隙水壓力存在著孔隙水壓力）。地下水位下降會(huì)引起地下水位下降會(huì)引起z z增大，增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因地面沉降的一個(gè)主要原因。HwZzwsatzH wwz wzH 0 uH wwwzzH 水平地基水平地基zzu

14、H 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件自重應(yīng)力自重應(yīng)力sz sz=z z， sz sz是指有是指有效應(yīng)力，地下水位以下效應(yīng)力，地下水位以下sz sz 計(jì)算采計(jì)算采用浮容重用浮容重, ,是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架是因?yàn)殪o水壓力對(duì)土骨架的浮托力，減輕了土的有效重量，的浮托力，減輕了土的有效重量，從有效應(yīng)力原理的角度講，從有效應(yīng)力原理的角度講，u u=wwz zww（存在著孔隙水壓力存在著孔隙水壓力）。地下水位下降會(huì)引起地下水位下降會(huì)引起z z增大，增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因地面沉降的一個(gè)主要

15、原因。HwZz0 uH 地下水位下降引起地下水位下降引起z z 的增大的部分的增大的部分Z水平地基水平地基zzu上海市：上海市：1 195895819641964，每年地下水位下降，每年地下水位下降1 12 2mm， 地面下沉速率地面下沉速率6 61010cm/ cm/ 年，累計(jì)達(dá)年，累計(jì)達(dá)1 12 2mm天津市：天津市：1959195919781978，地下水開(kāi)采過(guò)量，每年地下水位下降，地下水開(kāi)采過(guò)量，每年地下水位下降1 12 2mm， 地面下沉速率約地面下沉速率約5 5cm/ cm/ 年，年，2020年下沉達(dá)年下沉達(dá)1 1mm多多蘇州市：蘇州市：1 195795719831983，每年平均

16、下沉，每年平均下沉 20 20 mm; mm; 1991199119941994 年，下沉量達(dá)年，下沉量達(dá) 40 40 cmcm()wwHzHzZ海洋土層海洋土層HwZzzHsatw wwz z wHHw zzzzHwwww 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件海平面上升，只會(huì)海平面上升，只會(huì)海平面的水位變化是否會(huì)影響到有效海平面的水位變化是否會(huì)影響到有效應(yīng)力變化？應(yīng)力變化？引起引起z z與與u u增大，而增大，而z z與與H H和和z zww無(wú)關(guān)，不變化無(wú)關(guān)，不變化zzu海洋土層海洋土層HwZzzHsatw wwz z wHHw zzzzHww

17、ww 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件zzu毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū)2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件wZzch0 ucwh Huwwz 2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件 在重力作用下可在土中自由在重力作用下可在土中自由流動(dòng)的水（與普通水相同）流動(dòng)的水（與普通水相同） 作用作用 ：減輕土的有效重量減輕土的有效重量 重力作用下產(chǎn)生滲流重力作用下產(chǎn)生滲流 在重力與表面張力在重力與表面張力作用下可在土粒間孔作用下可在土粒間孔隙中移動(dòng)

18、的自由水隙中移動(dòng)的自由水復(fù)習(xí)復(fù)習(xí) 結(jié)晶水結(jié)晶水 結(jié)合水結(jié)合水 自由水自由水重力水重力水毛細(xì)水毛細(xì)水v土中水的形態(tài)與類(lèi)型土中水的形態(tài)與類(lèi)型2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件 結(jié)晶水結(jié)晶水 結(jié)合水結(jié)合水 自由水自由水重力水重力水毛細(xì)水毛細(xì)水v土中水的形態(tài)與類(lèi)型土中水的形態(tài)與類(lèi)型復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 土中毛細(xì)現(xiàn)象土中毛細(xì)現(xiàn)象: : 1) 1) 非飽和土中的毛細(xì)水非飽和土中的毛細(xì)水: :吸附作用吸附作用 2) 2) 地下水位以上土層地下水位以上土層：毛細(xì)作用：毛細(xì)作用 2)2)對(duì)砂土強(qiáng)度的影響對(duì)砂土強(qiáng)度的影響: : 假粘聚力假粘聚力ccuh 2co

19、scThr 毛細(xì)水壓力毛細(xì)水壓力：倒三角形分布倒三角形分布 上升高度上升高度：與毛細(xì)管半徑成反比與毛細(xì)管半徑成反比毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū)wwz )(wcsatzhH wcsatwwwcsatzhHzzhH )(毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū)2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件wZzch0 ucwh Hzzu注意注意孔隙水壓力孔隙水壓力 = 靜水壓力靜水壓力 或或 毛細(xì)壓力毛細(xì)壓力2) 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件a-a水平面上的總應(yīng)力水平面上的總應(yīng)力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水壓力水平面上的孔隙水壓力a-a水平面上的有效應(yīng)力水平面上的

20、有效應(yīng)力 12121212:wwwwwwuHHHHHHbuHHHHHH 情情況況a a情情況況uzz 22:zwzwaHHbHH 情情況況情情況況注意注意滲透壓力與滲透力的區(qū)別滲透壓力與滲透力的區(qū)別 前者為面力前者為面力wH，后者為體力后者為體力wi 。2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件Haab情況H1H2Haaa情況H1H22) 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件a-a水平面上的總應(yīng)力水平面上的總應(yīng)力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水壓力水平面上的孔隙水壓力a-a水平面上的有效應(yīng)力水平面上的有效應(yīng)力 12121212:wwwwww

21、uHHHHHHbuHHHHHH 情情況況a a情情況況uzz 22:zwzwaHHbHH 情情況況情情況況2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件Haab情況H1H2Haaa情況H1H2注意注意滲透壓力滲透壓力 = 總滲透力總滲透力 J / 滲流斷面滲流斷面A wi H2A /A = wH2) 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件a-a水平面上的總應(yīng)力水平面上的總應(yīng)力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水壓力水平面上的孔隙水壓力a-a水平面上的有效應(yīng)力水平面上的有效應(yīng)力 12121212:wwwwwwuHHHHHHbuHHHHHH 情情況況a

22、a情情況況uzz 22:zwzwaHHbHH 情情況況情情況況2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件注意注意孔隙水壓力孔隙水壓力 = 靜水壓力靜水壓力 滲透壓力滲透壓力Haab情況H1H2Haaa情況H1H22) 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件Haaa情況H1H2向下滲流時(shí)的應(yīng)力分布向下滲流時(shí)的應(yīng)力分布Haab情況2HwwuHHH12() 12zwsatHHwH1 wH1 wH wH2 H2 wH zwHH2 wwuHHH12() zwHH2 2H12zwsatHHwH1 向上滲流時(shí)的應(yīng)力分布向上滲流時(shí)的應(yīng)力分布wH1 wH wH2 H2 wH 2) 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件2. 2. 飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算飽和土中孔隙水壓力的計(jì)算 1) 靜水條件靜水條件 穩(wěn)定滲流條件穩(wěn)定滲流條件下，有效應(yīng)力原下，有效應(yīng)力原理