土的渗透性及渗透稳定

第四章土的渗透性及渗透稳定达西定律渗透系数及其确定方法渗透力与渗透变形二维渗流和流网的应用主要内容2020/2/24.1概述主要内容：土的渗透性和渗透规律研究对象：饱和土体“土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的”渗流和土的渗透性的概念水在土中渗透导致的三方面问题河滩路堤下的渗流4.2土的渗透性土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象。一、水头与水力梯度能量是用水头来表示，Bernoulli’sEquation：一水头及其类型如果忽略流速的影响，则wuzh二水力梯度水头差(A点与B点)AAAwuhZBBBwuhZ水力梯度:单位流程总水头的变化水头的大小随选取的基准面不同而不同；注意：最关心的不是水头而是水头差；水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。（一）渗透定律法国学者达西(Darcy),砂土实验结果（1852-1856）渗透速度与水头梯度成正比：Q==kiA或v=ki式中：v—渗透速度(cm/s)；i—水头梯度；k—渗透系数(cm/s)；Q—渗透流量(cm3/s)A—截面积。Darcy渗透定律二、饱和土的渗透规律-----Darcy定律ALhhK21达西定律只适用于层流适用于中砂、细砂、粉砂等粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。水力坡度与渗流速度关系（二）Darcy定律适用范围粘土不完全符合达西定律，需进行修正砂土和粘土的渗透规律粘土中存在起始水头梯度ib修正后：v=k(i-ib)右图绘出砂土与粘土的比较。关于起始水力坡降是否存在也有不同观点。三、渗透系数的测定经验估算法（一）室内试验法1.常水头渗透试验---实验装置见下图a示hQqtkiAtkAtL则得QLkhAt故渗透系数为截面积为A，渗径L；压力水头维持不变；试验开始时，水自上而下流经土样；待渗流稳定后，测得水量Q；同时读得a、b两点水头差h。室内实验装置示意图AQAQat=t1t=t22.变水头渗透试验---实验装置见上图b示土样的截面积A，高度为L储水管截面积为a试验开始储水管水头为h0经过时间t后降为h1时间dt内水头降低dh，水量为：dQ=-adh另外dQ=kiAdt=kAdt(h/L)流入和流出相等：-adh=k(h/L)Adt由此求得渗透系数：整理并积分得aLdhdtkAh即（二）现场试验法抽水试验粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样；小土样不能反映天然土层的结构性。现场方法：野外注水试验和野外抽水试验等抽水量为Q观测孔距离分别为rl和r2，水位高度h1和h2r处水面高度h，过水断面A＝2rh抽水试验抽水试验即：两边积分：故渗透系数为（三）经验估算法（略）建议者建议公式符号说明适用条件泰勒（Tayler,D.W）d50：土颗粒平均粒径，mm；μ：水的粘滞系数，g.s/cm2；e：土的孔隙比；C：颗粒形状系数。砂性土哈赞（Hazen）CH：哈赞常数，50～150；T：水温，；d10：土的有效粒径，mm。上式适用于中等密实砂，下式适于土的有效粒径0.1~3mm，Cu5时的松砂。太沙基（Tazaghi）d10：土的有效粒径，mm；e：土的孔隙比。砂性土水利水电工程地质勘察规范GB50287-99d20：占总土重20%土粒粒径，mmCu：不均匀系数。。砂性土和粘性土4.3静水和稳定渗流情况下土的应力状态一、静水情况下土的孔隙水压力和有效应力：测压管水位与容器水位齐平，无渗流发生。设土面至水面的距离为，土的饱和容重为，则土面下深度为的a–a平面上的总应力为：孔隙水压力为：根据有效应力原理，a–a平面上的有效应力为：21hhsatw)(21hhuw2''hu二、稳定渗流情况下土的孔隙水压力和有效应力（一）当渗流由上向下时根据土的有效应力原理，土中存在着孔隙水压力和有效应力两种力系。1–1与2–2高程处的自由水面为a和b，它们的水压力分别为：设试样截面积为A，则在2–2以上试样的总重量为土粒重量和孔隙水重量之和，即11huw)(122hLhhuwwLAWsat在试样2–2处除孔隙水传递的压力外，还有由土粒传递的有效应力，整个试样受力的平衡条件得到：AuwAuA12AuuLAAsat)(21)(11hLhhLwwsathLhhL11hLwwsat）（hLw（二）当渗流由下向上时wwhu22)(1hLh1uw此时在2–2处传递的孔隙水压力为，、的表达式都同前。根据试样受力平衡条件得到hLhhL11hLwwsat)(hLw4.4土的渗透稳定一、渗透力渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为hAFw根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反hAFJw渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3abc二、土的渗透破坏的形式渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏三、渗透破坏的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关目前我国水利工程中用来判别不同形式渗透破坏的标准见教材78页规定四、渗透破坏的临界梯度——使土体开始发生渗透变形的水力坡降GJ1、流土当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降JGcrwiwcri'wwsatscreGi11或在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～2.5)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内2、管涌（略）scrFiii][流网的性质及应用平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流4.5二维渗流和流网的应用渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：0zvxvzxdxvdzvdqzxedxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo)()(单位时间内流出单元的水量:oedqdq连续性条件:dxdzvxdxxvvxxvzdzzvvzzxz渗流的运动方程zhkvxhkvzzxx;达西定律：0zhkxhk22z22x渗流的连续性方程：0zvxvzx渗流的运动方程：特例：各向同性均质土体kx=kz0zhxh2222Laplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题4.6有关土渗透性的几个问题一、影响土的渗透性的因素1.土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度3.水的动力粘滞系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。二、成层土体中的渗流1.水平、垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和niixnxxxxqqqqq121iHkqxx达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整个土层与层面平行的等效渗透系数niiixHkHk11垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量nyyyyqqqq21q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为iAikAikAikiAknny2211总水头损失等于各层水头损失之和nniHiHiHHi2211nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整个土层与层面垂直的等效渗透系数2.稳定渗流基本方程的解答三、（略）nnykHkHkHHk2211