土的滲透性和滲流力

第3章土的滲透性和滲流力碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲透滲透性土具有被水、氣等液體透過(guò)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概述能量差水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲流量滲透變形石壩浸潤(rùn)線透水層不透水層石壩壩基壩身滲流滲透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)下的基坑滲流滲流量滲透變形滲透壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形水頭梯度土坡穩(wěn)定分析§3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三．滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素能量方程滲流速度的規(guī)律滲透特性四．層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)一、滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面z：位置水頭A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：二、滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測(cè)變量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T2.達(dá)西定律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)。注意：V：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>AvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱(chēng)為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：①礫石類(lèi)土中的滲流不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s適用條件ivovcrivi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土兩種特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)三、滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)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(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測(cè)變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類(lèi)：透水性較大的砂性土室內(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:

Δh變化，A，L=const量測(cè)變量:

Δh

，t對(duì)于透水性較小的粘性土，應(yīng)采用變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t

，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t室內(nèi)試驗(yàn)方法不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土2.影響因素土粒特性流體特性粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（水溫）飽和度（含氣量）—對(duì)k影響很大，封閉氣泡四、層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiH1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲流v承壓水條件:等效滲透系數(shù):vi=ki

(Δhi/Hi)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定§3.3平面滲流與流網(wǎng)Laplace方程一、平面滲流的基本方程及求解連續(xù)性條件假定：Δh對(duì)于穩(wěn)定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬：

dy=1與時(shí)間無(wú)關(guān)達(dá)西定律平面滲流的基本方程

1.基本方程連續(xù)性條件達(dá)西定律假定Laplace方程①與kx,kz無(wú)關(guān)②滿(mǎn)足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù)——?jiǎng)莺瘮?shù)和流函數(shù)特點(diǎn)描述滲流場(chǎng)內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式2.求解方法基本方程邊界條件解析方法適用于邊界條件簡(jiǎn)單的情況通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)勢(shì)函數(shù)Φ(x,z)流函數(shù)Ψ(x,z)等勢(shì)線流線邊界條件特定解二、流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用

流網(wǎng)——滲流場(chǎng)中的兩族相互正交曲線——等勢(shì)線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。等勢(shì)線——測(cè)管水頭相同的點(diǎn)之連線。流網(wǎng)法——通過(guò)繪制流線與勢(shì)線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來(lái)求解滲流問(wèn)題。基本要求1.正交性：流線與等勢(shì)線必須正交H△h0lsls2.各個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比c應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿(mǎn)足流場(chǎng)邊界條件要求，保證解的唯一性。ABCDlsH△h00ls繪制方法根據(jù)滲流場(chǎng)的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢(shì)線正交性曲邊正方形流線→等勢(shì)線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)流網(wǎng)特點(diǎn)與上下游水位變化無(wú)關(guān)Δh=const；與k無(wú)關(guān)；等勢(shì)線上各點(diǎn)測(cè)管水頭h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?？偹^差

△

h實(shí)際應(yīng)用確定流速確定流量水力坡降§3.4滲透破壞與控制

一、滲透力（動(dòng)水力）試驗(yàn)觀察Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)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。滲透變形滲透力Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L土水整體分析h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L－γwΔh滲流中的土體靜水中的土體R=γ’L－γwΔhR=γ’L滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi---體積力R=γ’L－γwΔh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=Δh/L=γ’/γwicr=

γ’/γwγ’L－γwΔh=0滲透力的性質(zhì)物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j=γwi大小：方向：與滲流方向一致作用對(duì)象：土骨架利用流網(wǎng)求滲透力復(fù)雜條件總滲透力大?。簀x網(wǎng)格面積

方向：與流線一致作用點(diǎn)：形心

流網(wǎng)較密處i較大，該處滲透力也大不同位置的滲透力對(duì)土體穩(wěn)定性的影響不同H△h0lsls基本類(lèi)型二、滲透變形（滲透破壞）

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1.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。粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr: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)經(jīng)驗(yàn)判斷：管涌2.管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)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。管涌破壞流土與管涌的比較

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(guò)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(lèi)歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)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(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口3.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

防治流土減小i：上游延長(zhǎng)滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降3.4.1概述土體受力后的三個(gè)問(wèn)題：

三相如何分擔(dān)外力？全部由顆粒承擔(dān)？

三相間的應(yīng)力如何傳遞和相互轉(zhuǎn)化？

它們與土的變形和強(qiáng)度有何關(guān)系？

§3-4有效應(yīng)力原理●四大定律：

1壓縮定律（de=-adp） 2Coulomb強(qiáng)度定律 3Dachy定律(v=ki) 4有效應(yīng)力原理構(gòu)成了整個(gè)土力學(xué)學(xué)科的結(jié)構(gòu)體系?！裼行?yīng)力原理描述總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙壓力三者之間的關(guān)系的理論原理.

當(dāng)土體承受力系時(shí)，作用于任一平面上的總應(yīng)力是由土骨架所發(fā)揮的有效應(yīng)力和孔隙中流體所承受的孔隙壓力來(lái)共同承擔(dān)。Terzaghi1925年最先提出§3-4有效應(yīng)力原理3.4.2有效應(yīng)力原理

●表達(dá)式（飽和土、非飽和土）●

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證●

幾點(diǎn)說(shuō)明●

不同條件、不同土有效應(yīng)力的物理含義●有效應(yīng)力原理的工程應(yīng)用§3-4有效應(yīng)力原理●表達(dá)式

A=As+Aw+Aa

P=Ps+Pw+Pa

Ps=sAsPw=wAw

Pa=aAa

P=

sAs+uwAw+uaAa

P=Ps+Pw+PaA=As+Aw+Aaa總應(yīng)力：

=P/A=

ss+uww+uaa

(s+w

+a

=1)

※對(duì)于完全飽和土，有：ua

=0,Aa

=0,a=0

只有：

s+w

=1或w=1-s

于是：

=ss+uww=

ss+uw(1-s)

=ss+uww=

ss+uw(1-s)分析：

(1) As值極小，<1%～1‰，可忽略，即：s

0;

(2) s非常大，可達(dá)材料屈服應(yīng)力，(ss)不會(huì)趨近零， 形成了一個(gè)實(shí)在量:土骨架的粒間應(yīng)力，用’

表示，即

’

=ss

=’+uw

※對(duì)于部分飽和土（非飽和土）1955,畢肖普Bishop提出：

式中:——由孔隙氣壓力；——由孔隙水壓力（總小于孔隙氣壓力，導(dǎo)致孔隙水表面受張力作用）；——毛細(xì)水壓力；——與飽和度有關(guān)的系數(shù)：飽和土，；理想干土，。說(shuō)明：非飽和土研究尚處于起步階段，有待深入研究，但較復(fù)雜?！駥?shí)驗(yàn)驗(yàn)證●幾點(diǎn)說(shuō)明

※土的有效應(yīng)力與粒間應(yīng)力

具有相同的含義。

※物理內(nèi)涵：實(shí)質(zhì)上是對(duì)于總應(yīng)力作用面積上經(jīng)

過(guò)土顆粒之間傳遞的平均應(yīng)力。

※

有效應(yīng)力不可測(cè)，只能測(cè)孔隙水壓力，反算之※孔隙水壓力各向相等，因而不會(huì)造成土體壓縮；※有效應(yīng)力屬于土顆粒骨架間的直接作用力,只有有效應(yīng)

力會(huì)導(dǎo)致土體產(chǎn)生壓縮變形、發(fā)生強(qiáng)度變化，因此，

土體變形、破壞研究的關(guān)鍵在于土體有效應(yīng)力。

●不同條件、不同土有效應(yīng)力的物理含義(1)極細(xì)粒土：分子間的作用力 有效應(yīng)力

粒間應(yīng)力與分子作用力的綜合反映(2)高塑性飽和細(xì)粒粘土：粒間水膜很厚，土粒尖很少有接觸 有效應(yīng)力主要反映為顆粒之間的分子力；(3)非飽和土：孔隙壓力孔隙氣壓力+孔隙水壓力●

有效應(yīng)力原理的工程應(yīng)用各類(lèi)設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題—