第二章土力学.

第2章土的渗透性及渗流2.1土的渗透性及举例2.2土的水理性质2.3地下水的运动方式和判别2.4达西定律及其适用范围2.5渗透系数2.6二维渗流及流网应用2.7渗流力、流沙和潜蚀的危害及防治2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力§2.1土的渗透性及举例渗透：在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。渗透性：土具有被水透过的性质。主要内容水在土体中的渗透规律渗透过程中土体的变形在渗流作用下的有效应力和孔隙水压力§2.2土的水理性质（一）2.2.1土的毛细水性质毛细现象土中水在表面张力作用下沿着细小孔隙向上或其它方向移动的现象。工程影响路基冻害、地下室潮湿、沼泽化和盐渍化等。毛细水最大上升高度理论：hmax=4σ/dγw汉森经验公式：hc=C/ed10毛细压力（毛细粘聚力）在土粒接触面上由于空气和水分界面产生的表面张力。§2.2土的水理性质（二）2.2.2土的冻胀融陷特性冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，土层中形成冰夹层，土体发生隆起。融陷：土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。冻融对工程影响路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝、折断，房屋、桥梁、涵管下沉或不均匀沉降等。影响冻胀的因素土：毛细水现象严重的细粒土，如：粉砂、粉土、粉质黏土。水：冻结区附近地下水位较高，分有开敞型、封闭型冻胀。温度：气温缓慢下降，持续时间较长。§2.3地下水的运动方式和判别（一）2.3.1地下水运动的基本方式按地下水的流线形态层流：流线互相平行、水流平稳、流速均匀湍流（紊流）：流线不规则、旋涡按水流特征随时间的变化状况稳定流运动非稳定流运动按水流在空间上的分布状况一维、二维、三维流动§2.3地下水的运动方式和判别（二）2.3.2地下水运动方式的判别临界雷诺数Re定义：运动流体的惯性力和粘滞力的比值（无量纲）。作用：划分层流和紊流的定量界限。圆管中水的流动明渠中水的流动水流夹带泥沙在土的孔隙中水的流动§2.4达西定律（一）达西定律—层流渗透定律（H.Darcy，1856）公式：量纲：v为渗透速度，q为流量，k为渗透系数，i为水头梯度渗透速度定义：单位时间内流过单位土截面积的水量。kiLhkAtq23/cmscmscm渗流装置示意图§2.4达西定律（二）砂土渗透速度符合达西定律：粘性土渗透速度应考虑起始水头梯度：砾石、卵石的粗颗粒，采用经验公式。Lhkki)(0iik§2.5渗透系数的测定（一）2.5.1渗透系数k的测定常水头法适用：透水性强无粘性土AtLhkAtkiAtQAhtQLk常水头试验装置示意图适用：透水性弱的粘性土adhdQAdtkiAdtvdQ2112ln)(hhttAaLk§2.5渗透系数的测定（二）变水头法达西定律变水头试验装置示意图a§2.5渗透系数的测定（三）2.5.2成层土的渗透系数与土层面平行时的平均渗流系数成层土渗流示意图niiiniixxHikqq11HikqxxniiixHkHk11达西定律§2.5渗透系数的测定（四）与土层面垂直时的平均渗流系数成层土渗流示意图iyyqqAHhkqyyniiiykHHk1AHhkqiiiiy§2.5渗透系数的测定（五）2.5.3影响土渗透性的因素砂性土：颗粒大小、级配、密度、封闭气泡粘性土：矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造级配越不好颗粒越均匀渗透性越好级配越好颗粒越不均匀渗透性越不好粘粒越多渗透性越不好§2.6二维渗流及流网应用（一）2.6.1流网的概念迹线：同一水质点在不同时刻位置点的连线。流线：在渗流方向上，同一时刻不同水质点的连线形成的曲线，在该曲线上所有各质点的瞬时流速矢量都和该曲线相切。在稳定流的情况下，迹线和流线重合。等势线：流线上势能相等的点的连线。流网：一组流线和一组等势线交织的正交网格。§2.6二维渗流及流网应用（二）如果取相邻两条流线之间通过的流量相等，相邻两条等势线之间的势能差值相等：流线疏密程度反映出地下水径流的强度不同，流线越密径流强度越大等势线疏密程度反映出水力梯度的变化率，等势线越密水力梯度越大稳定流条件下，均匀且各向同性介质中的渗流：渗流场：可以用拉普拉斯方程来描述流线：可以用流函数来描述流函数满足拉普拉斯方程等势线：可以用势函数来描述势函数满足拉普拉斯方程02222zhxh02222zx§2.6二维渗流及流网应用（三）),(zx),(zx02222zx§2.6二维渗流及流网应用（四）2.6.2流网作图的特点首先要弄清渗流场的边界条件流网中的流线和等势线正交，近似成直角作流网图时，使相邻两条流线之间通过的流量相等，相邻两条等势线之间的势能差值相等流网图的最终完成只能是逐步做成的§2.6二维渗流及流网应用（五）2.6.3流网图的应用以一个例子来说明其应用情况，有关尺寸如图：1、求图中A点的孔隙水压力uA2、求渗流水量沿图中纵向取单位长度1m单位时间内流量：qv=vF=kiF=khnfb/(nda)其中水力坡降：i=Δh/a=h/(nda)，过水断面：F=nfb×1式中，nd为沿着流线势能降低的阶数，nf为沿着等势线流带的划分数，本例中流网图近似为正方形网格，即：a=b；nd=8，nf=4则：qv=1.0×10-4m3/s势能水头差：h=P1-P2=2.0m相邻等势线间的水头差为0.25m故PA=5.875mA点总势能水头：PA=uA/γw+zA其中zA=3.5m为位置水头则：UA=(PA-zA)γw=23.75kPa§2.7渗流力、流沙和潜蚀的危害及防治（一）2.7.1渗流压力渗流时水对土颗粒骨架的压力即动水压力Gd(KN/m3)水所受到土的颗粒骨架的阻力TT=-Gd大小：T=γwi(KN/m3)方向：自上而下、自下而上、水平作用：冲刷作用、影响土体渗流稳定性对水柱体BA受力分析：前提：水头差(H1-H2)；长度L；截面积F忽略渗流水惯性力。B截面水压力：fB=γwh1FA截面水压力：fA=γwh2F水流自重：γwLF土的颗粒骨架对水的阻力T根据力的极限平衡，水柱BA上各力的平衡关系式γwh1F+γwLFcosα-γwh2F-TFL=0消去公因子F，并把cosα＝（z1－z2）/L代入，整理有γwh1+γw(z1-z2)-γwh2-TL=0γw[(z1-z2)+(h1-h2)]－TL=0由于z1＋h1=H1，z2＋h2=H2i=(H1-H2)/L=[(z1-z2)+(h1-h2)]/L整理得到T＝γwi即动水压力Gd＝－γwi动水压力Gd方向和渗流方向一致T（Gd）公式的推导：γwh2Fγwh1FγwLFcosαTLFαγwLFα§2.7渗流力、流沙和潜蚀的危害及防治（二）2.7.2流沙流沙现象在水下单位体积土的有效重力为：当土粒所受的动水压力等于或大于土的有效重力土颗粒间的有效接触力为零，土粒呈悬浮状态，并随渗流水一起流动上涌，表土层变得象液体一样，完全失去抗剪强度，地层遭到破坏。产生流沙'iGwd''wsatW§2.7渗流力、流沙和潜蚀的危害及防治（三）流沙形成的条件水动力条件产生流沙临界状态：流沙临界水力梯度：颗粒级配不均匀系数Cu10，孔隙率n较大，细粒填料（d2mm）大于30~35%，土质疏松、透水快，易发生流沙。)1)(1(ndiswcr'iGwd§2.7渗流力、流沙和潜蚀的危害及防治（四）流沙的防治施工上采取特殊处理：冻结法施工、打钢板桩、设防渗墙降低水力梯度(i=△h/L)：降低水头差△h，延长渗流路径对于基坑底面下有相对不透水层，其下有承压水时，应满足承压水以上土的总重量大于承压水的水压力：填堵，抛填粗填料wwiiHh砂土粘性土Hwiih,有一粘土层位于两砂层之间，其中砂层的湿重度r=17.6kN/m3，饱和重度rsat=19.6kN/m3，粘土层的饱和重度rsat=20.6kN/m3，土层厚度如图所示。地下水保持在地面以下1.5m处，若下层砂中有承压水，其测压管水位高出地面3m。若粘土层发生流沙，则下层砂中的承压水引起的测压管水位应当高出地面多少米？解：设测压管水位高出地面xm，则砂土层上界面b以上：总静水压力总重量令静水压力=总重量，得x=5.76m当高出地面5.76m时将发生流沙。)kPa(6.117332211hhhhsatsatii方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡iiwwhH例题1(31.51.5)3m3m1.5m1.5m砂土层粘土层砂土层地面地下水位ab解：设测压管水位高出地面xm，则砂土层上界面b以上：总渗流压力其中，为渗流压力作用的长度总有效重量令渗流压力=有效重量，得x=5.76m当高出地面5.76m时将发生流沙。例题1方法二：判断渗流压力与有效重量之间的平衡iiwhh33310(1.5)33mh)kPa(6.723'32'211hhhhii§2.7渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治（五）2.7.3潜蚀概念：在渗流下，地下水对岩土矿物、化学成分产生溶蚀后，水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中带走的现象，也称管涌。前者为化学潜蚀；后者为机械潜蚀潜蚀形成的条件：1）水动力条件：iicr/安全系数（1.5~2.0）icr为临界水力梯度，根据自下而上渗流、侧向渗流由经验公式确定。2）粒径级配粒径级配不均匀因素Cu越大—icr越小—越易发生潜蚀§2.7渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治（六）工程影响岩土体内水土流失、形成孔穴、洞穴、溶洞；土体软化、抗剪强度降低，边坡及堤坝滑动、塌陷变形等。潜蚀的防治1.降低水头梯度：降低水头差Δh，延长渗流路径L2.控制排水处条件：设置反滤层（下细上粗）3.堵塞空洞：材料选取、施工密实度§2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力（一）2.8.1饱和土体有效应力原理：2.8.2在静水条件下水平面上a-a界面处：u'221''huhuhhaaawwasatwa静水情况下的孔隙水压力和有效应力§2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力（二）2.8.3在稳定渗流作用下水平面上流沙临界条件：σ’=0即γ’h2=γwh即γ’=γwiicr=γ’/γw或Gdcr=γwicr=γ’hhuhhhhuhhwaaa22121'')(hhuhhhhuhhwaaa22121'')(1.自上而下渗流2.自下而上渗流例题2已知条件同前例题1，试计算：粘土层内的孔隙水压力及有效应力随深度的变化并绘出分布图（假定承压水头全部损失在粘土层中）。解：3m3m1.5m1.5m砂土层粘土层砂土层地面地下水位abab总应力图孔隙水压力图9055.8117.61540.827.6有效应力图1112217.61.519.61.555.8101.515'55.81540.8asataa-a界面kPaukPahhhhhukPahhhaab)(6.11736.208.55321322111b-b界面§2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力（三）2.8.4根据流网确定孔隙水压力以闸基下的渗流为例来说明确定方法①求a点的孔隙水压力和有效应力②渗流逸出处1-2是否发生流沙？③图中网格9、10、11、12上的渗流力是多少？§2.8渗流情况下的有效应力和孔隙