靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四土粒對水流的總阻力Fsh2h0h1h0△hWwWwFsFsABCDABCDU1U2ABCDabWwFsU1U2以網(wǎng)格中的孔隙水為研究對象

一、滲流力的概念

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四沿水流方向力的平衡一、滲流力的概念

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

滲流力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，常以kN/m3計(jì)。一、滲流力的概念

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四h2h0h1h0△hW

W

ABCDABCDU1U2ABCDabWwJ

U1U2W’R

Fs以網(wǎng)格中的整個(gè)土體（包括土粒與孔隙水)為研究對象

一、滲流力的概念

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、滲透變形

（一）滲透變形的形式流土：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：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)生移動并被帶出的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在砂礫土中。4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四（一）滲透變形的形式二、滲透變形

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四（一）滲透變形的形式二、滲透變形

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2、管涌型土的臨界水力梯度（二）土的臨界水力梯度二、滲透變形

4-5滲流力及滲透穩(wěn)定性第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

把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，常以u表示。一、飽和土體中的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力。把孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力之和稱為總應(yīng)力。FSFSNSNS第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四A：Aw：As：土單元的截面積顆粒接觸點(diǎn)的截面積孔隙水的截面積aa4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力一、飽和土體中的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、在靜水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

h2h1粘土層γsat

水γw

4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四地下水位下降引起σ’增大的部分h1h2σ’=σ-u

u=γwh2u=γwh2地下水位下降會引起σ’增大，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。

二、在靜水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四（一）滲流方向由上向下hw

h

h2h1砂層，排水粘土層γsat

水γw

三、在穩(wěn)定滲流作用下下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四（二）滲流方向由下向上h

hw

h2h1砂層，承壓水粘土層γsat

水γw

4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力三、在穩(wěn)定滲流作用下下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四（二）滲流方向由下向上h

hw

h2h1砂層，承壓水粘土層γsat

水γw

4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力三、在穩(wěn)定滲流作用下下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力

第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四靜水條件和滲流情況下的應(yīng)力情況比較4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

流網(wǎng)繪出以后，滲流場中任一點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力即可由該點(diǎn)的測壓管中的水柱高度(或稱壓力水頭）乘以水的重度得到。四、根據(jù)流網(wǎng)確定孔隙水應(yīng)力

當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于下游靜水位以下時(shí)，按照測壓管中水柱高度算出的孔隙水應(yīng)力是由兩部分組成的：其一是由下游靜水位產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力，通常將這一部分孔隙水應(yīng)力稱為靜孔隙水應(yīng)力；其二是由滲流所引起的，即超過靜水位的那一部分測壓管水柱所產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力,通常將這一部分孔隙水應(yīng)力稱為超靜孔隙水應(yīng)力。注意：土體的超靜孔隙水應(yīng)力除可由滲流產(chǎn)生以外，荷載（動的或靜的）也能夠在土體內(nèi)引起超靜孔隙水應(yīng)力。4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四【例題3－3】如圖所示，若地基上的土粒比重Gs為2.68，孔隙率n為38.0％，

試求：（1）a點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力；（2）滲流逸出處1－2是否會發(fā)生流土？（3）圖中網(wǎng)格9，10，11，12上的滲流力是多少？4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四a點(diǎn)在第二根等勢線上，因此，該點(diǎn)的測壓管水位應(yīng)比上游水位低Δh=0.8m，從圖中直接量得下游靜水位至a點(diǎn)的高差

haˊ=10m，而超過下游靜水位的高度應(yīng)為

ha〞=h-Δh＝8-0.8＝7.2m。則a點(diǎn)測壓管中的水位高度

hw＝

haˊ+ha〞=10+7.2=17.2m。所以，a點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力為

u=γwhw=9.8×17.2=168.56kPa（1）由圖中可知，上下游的水位差h=8m，等勢線的間隔數(shù)N＝10，則相鄰兩等勢線間的水頭損失Δh=h/10=8/10=0.8m。4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四其中由下游靜水位引起的靜孔隙水應(yīng)力為

uˊ=γwhaˊ=9.8×10=98kPa而由滲流引起的超靜孔隙水應(yīng)力為u〞=γwha〞=9.8×7.2=70.56kPaa點(diǎn)的總應(yīng)力為

σ＝

γwh1+γsat(haˊ-h2)第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

其中土的飽和重度γsat＝ρsat×9.8=ρw[1+(Gs-1)(1-n)]×9.8

＝[1+(2.68-1)(1-0.38)]×9.8＝20kN/m3

代入上式得總應(yīng)力為σ＝9.8×10+20×(10-2)=98+160=258kPa

于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a點(diǎn)的有效應(yīng)力為σˊ＝

σ-u=258-168.56=89.44kPa4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

從圖中直接量得網(wǎng)格1，2，3，4的平均滲徑長度ΔL=8m，而任一網(wǎng)格上的水頭損失均為Δh=0.8m，則該網(wǎng)格的平均水力梯度為

i=Δh/ΔL＝0.8/8=0.1該梯度即近似代表地面1－2處的逸出梯度ie。流土的臨界水力梯度為icr=(Gs-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04＞ie

故滲流逸出處1－2不會發(fā)生流土現(xiàn)象。（2）滲流逸出處1－2是否會發(fā)生流土？4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

圖中直接量得網(wǎng)格9，10，11，12的平均滲徑長度ΔL=5.0m，兩流線間的平均距離b=4.4m，網(wǎng)格的水頭損失Δh=0.8m，所以

作用在該網(wǎng)格上的滲流力為J＝

γw(Δh/ΔL)bΔL＝γwbΔh

＝

9.8×0.8×4.4=34.5kN/m（3）圖中網(wǎng)格9，10，11，12上的滲流力是多少？4-6在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)習(xí)思考題

4-1何謂達(dá)西定律，達(dá)西定律成立的條件有哪些？4-2實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定滲透系數(shù)的方法有幾種？它們之間又什么不同？4-3流網(wǎng)有什么特征？4-4滲透變形有幾種形式？各有什么特征？4-5什么是臨界水力梯度？如何對其進(jìn)行計(jì)算？4-6孔隙水應(yīng)力在靜水條件下和在穩(wěn)定滲流作用下有什么不同？如何利用流網(wǎng)確定滲流作用的孔隙水壓力。

第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4-7根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出的流速和土水中的實(shí)際流速是否相同？為什么？4-8拉普拉斯方程是由哪兩個(gè)基本定律推導(dǎo)出的？你認(rèn)為土的透水系數(shù)是各向同性的嗎？4-9何謂流土？何謂管涌？產(chǎn)生流土和管涌的必要條件是什么？4-10試草繪一個(gè)常水頭的試驗(yàn)裝置來說明達(dá)