第三章土的渗透性及渗流1

§3.2土的渗透性第三章土的渗透性及渗流§3.3渗透破坏与控制§3.1概述3.1概述渗流渗透性土具有被水、液体等透过的性质水、液体等在土体孔隙中流动的现象土颗粒土中水渗流渗透特性强度特性变形特性互相关联互相影响土力学重要课题透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？3.1概述土的渗透性研究渗流量渗透破坏渗流控制三个问题工程应用的需要透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流：3.1概述渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例3.1概述ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程一、渗流中的水头与水力坡降3.2土的渗透性ABLhAzAwAp基准面zpgvhw22wpzh总水头（伯努利定理）：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头p/w：水体的压力势能（p孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处3.2土的渗透性wpzhBBB•A点总水头：水力梯度ABLhAhBzAwApwBpzBΔh基准面水力坡降线wAApzhA•B点总水头：•二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失BWBAWAzpzphBAhh•水力梯度i：单位渗流长度上的水头损失Lhi3.2土的渗透性3.2土的渗透性LAh1h2QQ透水石h二、渗透试验与达西定律试验前提：层流LhAq或kiAqv1.渗透试验试验结果:试验装置：如图试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，Q，tkAiLhkAq达西定律2.达西定律ikAqv渗透定律:在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。ivk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day3.2土的渗透性3.2土的渗透性粗粒土：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用适用条件ivovcrivib层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降iib,v=k(i-ib)ikvbiikv砾土密实粘土ikv三、渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法野外试验测定方法3.2土的渗透性室内试验方法1—常水头试验法结果整理：试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:渗水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=kihtAQLk3.2土的渗透性hL土样AQ适用土类：透水性较大的砂性土试验条件:Δh变化A，a，L=const量测变量:h，t适用土类：透水性较小的粘性土土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a3.2土的渗透性室内试验方法2—变水头试验法土样At=t1t=t2h1h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：•入流量：dVe=-adh•出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt•连续性条件：dVe=dVo-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt室内试验方法-变水头试验法21hhAtaLkln选择几组量测结果，计算相应的k，取平均值3.2土的渗透性常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21lnhhAtaLkhtAQLk室内试验方法小结不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土3.2土的渗透性现场测定法3－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井3.2土的渗透性地下水位≈测压管水面量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？212212)/ln(hhrrqk)(ln212212hhkrrqA=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2计算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水层dhdrh地下水位≈测压管水面3.2土的渗透性21212hhrrhdhkrdrq土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值愈大。因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，随细粒含量增加，K值急剧下降。土的性质水的性质•土的粒度成分•孔隙比•土的饱和度•结构和构造2.影响因素3.2土的渗透性是单位土体中孔隙体积的直接度量土愈密实，孔隙比愈小，K值愈小。土的性质水的性质•土的粒度成分•孔隙比•土的饱和度•结构和构造3.2土的渗透性一般情况下饱和度愈低，K值愈小。因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。土的性质水的性质•土的粒度成分•孔隙比•土的饱和度•结构和构造3.2土的渗透性扰动土样比原状土样K值小粘性土层中有很薄的砂土夹层，常使得k水平﹥k垂直土的性质水的性质•土的粒度成分•孔隙比•土的饱和度•结构和构造3.2土的渗透性水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k土的性质水的温度•粒径大小及级配•孔隙比•土的饱和度•结构和构造3.2土的渗透性四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗透系数天然土层多呈层状3.2土的渗透性多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:iixHkH1kkx已知条件:LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:水平渗流3.2土的渗透性iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvviihhiHHvi=ki(Δhi/Hi)iiiikHvhzkvHhiizkHvkvHiihh已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh/H)等效渗透系数:3.2土的渗透性竖直渗流算例说明daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.H1H2H3Hk1k2k3xz3.2土的渗透性水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定Lhii;HH;qqiii...k...;H,H121iHkqxiixHkH1kii2121HH;hh;v...vv;q...qq...k,k...;H,H2121HhkikvzziizkHHk3.2土的渗透性层状地基的等效渗透系数小结水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数•总水头=位置水头+压力水头•水头是渗流的驱动力•达西定律•渗透系数、渗透速度•达西定律的适用条件•常水头试验•变水头试验•抽水试验•渗透系数影响因素•水平等效渗透系数•垂直等效渗透系数3.2土的渗透性Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致3.3渗透破坏与控制一、渗透力（动水力）试验观察渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力3.3渗透破坏与控制Gw=vvw+vsw＝Vw=LAwwP1=whwAwP2=wh1AwP1+Gw+J=P2j=j=wh/L=wi水柱整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab3.3渗透破坏与控制GwJwhwAw+LAww+jLAw=wh1AwJ=jLAwjL=wh1-whw-Lw当h逐渐增大，土体中的渗流力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗流力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏。这种现象叫做流砂或者流土现象。这种在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零，土开始发生流砂现象时的水力坡降称为临界水力坡降icr：渗透力-受力分析渗透力-受力分析临界水力坡降h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=h/L=/w3.3渗透破坏与控制j=wi≥edws1)1(ndedisscr1111由于icr取决于土的物理性质渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架3.3渗透破坏与控制土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：•管涌•流土渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式3.3渗透破坏与控制渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流criiediscr11原因：与土的密实度有关3.3渗透破坏与控制坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷3.3渗透破坏与控制流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口3.3渗透破坏与控制scrFiiiFs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降iicr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态iicr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：3.3渗透破坏与控制土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别3.3渗透破坏与控制•几何条件•水力条件无粘性土管涌的判别发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径3.3渗透破坏与控制渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施scrFiii减小i：上游延长渗径减小水压差增大[i]：下游增加透水盖重•改善几何条件：渗流溢出部位设反滤层等•改善水力条件：减小水力梯度防治流土防治管涌3.3渗透破坏与控制工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律渗透力与渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系