土力學(xué)-第2章

1、第二章第二章 土土的滲透性與土中滲流的滲透性與土中滲流2.1 概述概述2.2 滲流理論滲流理論2.3 流網(wǎng)及其工程應(yīng)用流網(wǎng)及其工程應(yīng)用2.4 土中滲流的作用力及滲透變形土中滲流的作用力及滲透變形 產(chǎn)生的問題產(chǎn)生的問題一、滲漏，造成水量損失 二、引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變地基、邊坡或土工建筑物的穩(wěn)定條件。2.1 概述三、影響土體變形快慢。四、基坑排水。五、邊坡穩(wěn)定計(jì)算。本章著重本章著重討論的問討論的問題題三相系三相系多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)孔隙流體孔隙流體孔隙流體流動(dòng)孔隙流體流動(dòng)能量差能量差浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層滲流量滲流量滲透變形滲透變形土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流

2、2.1 概述透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁圍護(hù)下的基坑滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流量滲流量滲透變形滲透變形板樁墻板樁墻2.1 概述滲流量滲流量滲流時(shí)地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流渠道滲流2.1 概述滲流滑坡滲流滑坡2.1 概述Teton壩壩概況：概況：土壩，高土壩，高90m90m，長，長1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事?lián)p失：損失：直接直接80008000萬美元，起萬美元，起訴訴55005500起，起，2.52.5億美元，億美元，死死1414人，受災(zāi)人，受災(zāi)2.52.5萬人，萬人，6060萬畝土地，萬畝土地，32

3、32公里公里鐵路鐵路原因：原因：滲透破壞水力劈裂滲透破壞水力劈裂2.1 概述Teton壩壩1976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。2.1 概述Teton壩壩1111：0000左右洞口不斷擴(kuò)大并向壩頂靠近，泥水流量增加2.1 概述TetonTeton壩壩11:30洞口繼續(xù)向上擴(kuò)大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設(shè)施。2.1 概述11：50左右洞口擴(kuò)大加速，泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。TetonTeton壩壩2.1 概述11:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下TetonTeton壩壩2.1 概述12：00過后坍塌口加寬TetonTeton壩壩

4、2.1 概述洪水掃過下游谷底，附近所有設(shè)施被徹底摧毀TetonTeton壩壩2.1 概述失事現(xiàn)場目前的狀況TetonTeton壩壩2.1 概述2.2 滲流理論2.2.1 定義 定義：定義：土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā)土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為水的滲透水的滲透，而土被水流，而土被水流透過的性質(zhì)，稱為透過的性質(zhì)，稱為土的滲透性土的滲透性。2.2.2 滲流模型 由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)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，流速緩慢的粘滯阻力很大，流速緩慢 層流層流2.2.2 滲流模型v 滲透速度（滲透速度（cm/s或或m/s

5、）；）；q 滲流量（滲流量（cm3/s后后m3/s）；）；i 水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失，無因次；水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失，無因次；h 試樣兩端的水位差，即水頭損失；試樣兩端的水位差，即水頭損失；L 滲徑長度；滲徑長度；k 滲透系數(shù)（滲透系數(shù)（cm/s或或m/s,m/d）；）；A 試樣截面積（試樣截面積（cm2或者或者m2）。）。2.2.2 滲流模型1856年法國學(xué)者年法國學(xué)者達(dá)西對砂土的滲達(dá)西對砂土的滲透性進(jìn)行研究透性進(jìn)行研究結(jié)論：結(jié)論：水在土中的滲透速度與試水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律達(dá)西定律滲透系數(shù)，水力梯滲透系數(shù)，

6、水力梯度為度為1 1時(shí)的滲透速度，時(shí)的滲透速度，單位：單位：cm/scm/s注意：注意：1.1.滲流速度并非真正流體速度滲流速度并非真正流體速度2.2.水力梯度也并非真正的水力水力梯度也并非真正的水力梯度梯度2.2.3 達(dá)西滲流定律一、達(dá)西定律kiv 達(dá)西定律達(dá)西定律砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系 v=kiivO O砂土砂土2.2.3 達(dá)西滲流定律ib起始水起始水力坡降力坡降虛直線簡化虛直線簡化0iv密實(shí)粘土密實(shí)粘土)(biikvv=kiivO O 礫土礫土v=ci1/2vcr二、達(dá)西定律適用范圍二、達(dá)西定律適用范圍2.2.4 滲流系數(shù)的確定 滲透系數(shù)的大

7、小是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的重要力滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。滲透系數(shù)的測定可以分為學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。滲透系數(shù)的測定可以分為現(xiàn)場試驗(yàn)現(xiàn)場試驗(yàn)和和室內(nèi)試室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)兩大類。一般，現(xiàn)場試驗(yàn)比室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果要準(zhǔn)確兩大類。一般，現(xiàn)場試驗(yàn)比室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果要準(zhǔn)確可靠。因此，對于重要工程常需進(jìn)行現(xiàn)場測定?？煽俊Ｒ虼?，對于重要工程常需進(jìn)行現(xiàn)場測定。 常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)測定方法測定方法野外試驗(yàn)野外試驗(yàn)測定方法測定方法hQqtkiAtkAtL時(shí)間時(shí)間 t 內(nèi)流出的水量內(nèi)流出的水量QLkhAt

8、常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)過程中水頭保持不變給水給水排水排水試驗(yàn)中測取的量為：試驗(yàn)中測取的量為：h, t, Q一、常水頭試驗(yàn)一、常水頭試驗(yàn) 適用于透水性大（適用于透水性大（k10-k10-3cm/s3cm/s）的土，例如砂土。）的土，例如砂土。 二、變水頭試驗(yàn)二、變水頭試驗(yàn)截面面積截面面積a變水頭法在整個(gè)試驗(yàn)過程中，變水頭法在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭是隨著時(shí)間而變化的，水頭是隨著時(shí)間而變化的，試驗(yàn)裝置如圖，試樣的一端試驗(yàn)裝置如圖，試樣的一端與細(xì)玻璃管相接，在試驗(yàn)過與細(xì)玻璃管相接，在試驗(yàn)過程中測出某一時(shí)段內(nèi)細(xì)玻璃程中測出某一時(shí)段內(nèi)細(xì)玻璃管中水位的變化，就可根據(jù)管中水位的變化，就可根據(jù)達(dá)西定律求出水

9、的滲透系數(shù)；達(dá)西定律求出水的滲透系數(shù)；粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng)粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng)水量少。水量少。 適用于粘性土，滲透系適用于粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng)水量少。數(shù)小，流經(jīng)水量少。截面面積截面面積a設(shè)玻璃管的內(nèi)截面積為設(shè)玻璃管的內(nèi)截面積為a a，試驗(yàn)開始以后任一時(shí)刻試驗(yàn)開始以后任一時(shí)刻t t的的水位差為水位差為h h，經(jīng)時(shí)段，經(jīng)時(shí)段dtdt，細(xì)，細(xì)玻璃管中水位下落玻璃管中水位下落dhdh，則在，則在時(shí)段時(shí)段dtdt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量。內(nèi)流經(jīng)試樣的水量。二、變水頭試驗(yàn)二、變水頭試驗(yàn)試驗(yàn)中測取的量試驗(yàn)中測取的量為：為：t1, t2, h1, h2hadhkAdtl1212ln()halkAtthad

10、hdQhdQkAdtl二、變水頭試驗(yàn)二、變水頭試驗(yàn)地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面抽水量抽水量q qdhdrrhh1h2r1r2觀察井觀察井不透水層不透水層透水層透水層井井三、現(xiàn)場抽水試驗(yàn)三、現(xiàn)場抽水試驗(yàn)212212lnhhrrqk2102210(11.5)2kdkd e哈森太沙基四、經(jīng)驗(yàn)公式四、經(jīng)驗(yàn)公式1.1.土粒大小與級配土粒大小與級配 土粒越粗越均勻，滲透系數(shù)越大。粘粒含量越多，滲透系數(shù)土粒越粗越均勻，滲透系數(shù)越大。粘粒含量越多，滲透系數(shù)越小。越小。2.2.土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu) 3.3.滲透水的性質(zhì)滲透水的性質(zhì) 水平滲透系數(shù)一般大于豎向滲透系數(shù)。水平滲透系數(shù)一般大于豎向滲透系數(shù)。 動(dòng)力粘

11、滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體含量 土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。體含量愈多，土的滲透性愈小。2020TTkk T、20分別為分別為T和和20時(shí)水時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表 五、影響滲透系數(shù)的因素五、影響滲透系數(shù)的因素土的滲透系數(shù)參考值土的滲透系數(shù)參考值土類土類滲透系數(shù)滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性滲透性

12、卵石、碎石、礫石卵石、碎石、礫石10-1高滲透性高滲透性砂砂10-310-1中滲透性中滲透性粉土粉土10-410-3低滲透性低滲透性粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土10-610-5極低滲透性極低滲透性粘土粘土10-7幾乎不透水幾乎不透水2.3 流網(wǎng)及其工程應(yīng)用2.3.1 流網(wǎng)的性質(zhì)02222yhxh一、穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程一、穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程 yxyqxqxxqqdxxyyqqdyyh 根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)流入單元根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)流入單元體的總水量必等于流出的體的總水量必等于流出的總水量得：總水量得： 就滲流問題來說，一組曲線就滲流問題來說，一組曲線稱為稱為等勢線等勢線，在任一條等勢線，在任一條等勢線

13、上各點(diǎn)的總水頭是相等的；另上各點(diǎn)的總水頭是相等的；另一組曲線稱為一組曲線稱為流線流線，它們代表，它們代表滲流的方向。等勢線和流線交滲流的方向。等勢線和流線交織在一起形成的網(wǎng)格叫織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)流網(wǎng)。二、方程的解二、方程的解 對于各向同性的滲透介質(zhì)，流對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： （1 1）流線與等勢線彼此正交；）流線與等勢線彼此正交； （2 2）每個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；）每個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)； （3 3）相鄰等勢線間的水頭損失相等；）相鄰等勢線間的水頭損失相等； （4 4）各流槽的滲流量相等。）各流槽的滲流量相等。二、流網(wǎng)的性質(zhì)二、流網(wǎng)的性質(zhì) 三、典型流

14、網(wǎng)分析三、典型流網(wǎng)分析 遠(yuǎn)離壩底，流線遠(yuǎn)離壩底，流線稀疏，水力梯度稀疏，水力梯度小，滲透速度小小，滲透速度小接近壩底，流線接近壩底，流線密集，水力梯度密集，水力梯度大，滲透速度大大，滲透速度大2.4 土中滲流的作用力及滲透變形水在土中流動(dòng)水在土中流動(dòng)能量消耗能量消耗力圖拖曳土粒力圖拖曳土粒水頭損失水頭損失滲透水流施于單位土滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的力稱為體內(nèi)土粒上的力稱為滲流力、動(dòng)水壓力。滲流力、動(dòng)水壓力。h000hwL貯水器貯水器土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)a bh2h2h1h12.4.1 滲流力2.4.1 滲流力1 1點(diǎn)，滲流力與重力方向點(diǎn)，滲流力與重力方向一致，滲流力促使土體一致，滲流力促使土體

15、壓密，對穩(wěn)定有利；壓密，對穩(wěn)定有利；2 2點(diǎn)，點(diǎn)，3 3點(diǎn)，滲流力與重點(diǎn)，滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不力方向正交，對穩(wěn)定不利；利；4 4點(diǎn)，滲流力與重力方向點(diǎn)，滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利。相反，對穩(wěn)定特別不利。滲流力方向與滲透方向相同，大小取決滲流力方向與滲透方向相同，大小取決于水力梯度。即于水力梯度。即ijw2.4.1 滲流力 當(dāng)滲流力和土的有效重度相同且方向相反時(shí)，土顆粒間的當(dāng)滲流力和土的有效重度相同且方向相反時(shí)，土顆粒間的壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn)壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn)象稱為象稱為流土流土，此時(shí)的水頭梯度成為，此時(shí)的水頭梯度

16、成為臨界水力梯度臨界水力梯度i icrcr。wjiscrw11Gie2.4.1 滲流力流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流流土一般發(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。逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于流土狀態(tài)土處于流土狀態(tài)2.4.1 滲流力2.4.2 滲透變形滲流土體內(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)流土流土：在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時(shí)起動(dòng)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。

17、它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處。而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處。管涌：管涌：在滲流作用下土體中的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通在滲流作用下土體中的細(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。它主要發(fā)生在砂礫土中。道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在砂礫土中。2.4.2 滲透變形一、滲透變形的形式一、滲透變形的形式流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土 土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)或局部土體表面隆起動(dòng)或局部土體表面隆起管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等