土力学-土的渗透性及渗流

第二章土的渗透性及渗流问题一、土的渗透性permeability及土中渗流seepage2.土中渗流与工程的关系（1）渗透变形（破坏）问题因渗流造成土体变形甚至破坏。（2）渗流量的问题•土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；•基坑开挖渗水量及排水量计算；•水井供水量估算。1.土的渗透性土中孔隙相互连通，使土具有使水或其他液体通过的性质称为土的渗透性。•基坑开挖中的渗流问题控制因降水产生的土层变形，避免对周围建（构）筑物、道路、地下管线等产生不良影响。设置降水系统，将地下水位降至坑底以下，使基础和地下室可正常施工。管井降水潜水泵水头hydraulichead：单位重量的水所具有的能量。wvhzhh二、土的渗透定律——Darcy定律总水头势水头静水头动水头测压管水头2//2wzuvg孔隙水压渗流速度/whzu1.渗流中的总水头和水力梯度（1）基本原则连续性原理能量方程（Bernoulli方程）（2）总水头和水力梯度位置水头压力水头速度水头土中渗流速度通常较小，可忽略AhAzwAuLBhhBwuBz水力梯度（水力坡降）hydraulicgradient：单位流程的水头损失。ABhhhiLL总水头线测压管piezometertubeAB•水力梯度hiL1hhL2h12qQt3.Darcy渗透定律ki在层流sheetflow状态下，有（Darcy，1856）平均流速流量土的截面积渗透系数水力梯度（2）Darcy定律是计算分析土的渗流、渗透固结问题的重要基础。HenryPhilibertGaspardDarcy(1803-1858)1803年6月10日出生于法国第戎（Dijon）。他于1839～1840年设计和主持建造了第戎镇的供水系统（比巴黎早20年）。进水/vqA砂滤板碎石（1）v=q/A称为平均流速dischargevelocity，它不是渗流的真实速度。因为A不是真正的过水面积，而且土中的实际渗流路径是非常复杂的。cm/scm/s1）砂土及一般黏性土中的渗流通常为层流，故Darcy定律适用。2）砾及以上的粗粒土在水力梯度较大时形成紊流，Darcy定律不适用。3）黏性很强的致密黏土，水力梯度较小时不发生渗流，且v-i之间为非线性关系。0()vkii（3）Darcy定律的适用范围iv0vcr砾及以上的粗粒土i0iv0致密黏土（通常，工程中仍近似采用此关系。）使用时，可简化为TQLkAthQvAtTvkihiLT20T20kk适用于砂土二、渗透系数coefficientofpermeability及测定方法（1）常水头渗透试验constantheadpermeabilitytest由Darcy定律由于可得渗透系数1.渗透系数测定方法hL进水土样滤板qQt温度为T时的渗透系数标准温度下的渗透系数粘滞系数1T212ln()haLkAtth（2）变水头渗透试验fallingheadpermeabilitytestddQahhiLTvki2211TddhthtahkLhtA适用于黏性土2）渗流速度计算qvA3）水力梯度计算1）由Darcy定律4）求渗透系数1hL2hhdh水头下降t1时t2时t时出水变水头管的截面积d1dQtAddahAt土样截面积将②、③代入①，并积分①②③水头差（3）现场抽水试验pumptest,permeabilitytest222211ln()rqkhhrddhir2qvrhvki22112ddrhrhqkhrrh适用于粗颗粒土1）由Darcy定律抽水井观测孔1观测孔2hr1rr2h1h2地下水位粗粒土层不透水层①②③2）渗流速度计算单位时间的抽水量3）水力梯度计算4）求渗透系数将②、③代入①，并积分dhdr（总水头线）D5Kenney(1984)D10Hazen(1892)2.渗透系数的影响因素（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分2eekCD有效颗粒尺寸effectivegrainsizeb.曲率系数Cu对渗透性的影响不大。a.砂土的渗透性由其中的小颗粒控制渗透系数d.细粒土的渗透性与液体的极性有关。（MesriandOlson，1971）水四氯化碳或苯c.渗透系数：蒙脱石伊利石高岭石。（3）土的结构和构造（4）土的饱和度（5）水的动力黏滞度dynamiccoefficientofviscosity3,1eke2,1ee2e砂土黏性土lgek黏性土：絮凝结构分散结构层状土：xykk不饱和土中气泡对渗透性的影响2020TTkk（2）孔隙比或孔隙率3.成层土的平均渗透系数•水平渗流时总流量等于各土层流量之和（各层的水力梯度相等）1mxjjjQkHkHii11mxjjjkkHH•竖直渗流时总水头损失等于各土层水头损失之和（各层的流量相等）11mmyjjjjjyyjyhiHHiHkvkvH1/ymjjjHkHk将土层简化为均质土，便于计算三、渗透力及临界水力梯度b-ba-ahwahwbhLAwwawhAwwbwhAwwLAwwbwhAwwLAwwawhA?++wJwwJhAwwhALA孔隙水土颗粒渗流wJsJ1.渗透力总渗透力wsJJJwJhAwAAwJJR•渗透力seepageforce土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。wRLAhA()wRiLAcrwi•临界水力梯度criticalhydraulicgradient•有效应力effectivestresswJjiVRwhALA土颗粒J土颗粒之间的作用力。有效应力为0时对应的水力梯度。此时水将发生渗透破坏。hiL2.土的渗透破坏•流土（流砂quicksand、翻砂boilsand）在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。•发生条件crii•要求crs/iiF•管涌piping在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失→孔隙增大，渗流速度增加→粗粒流走→贯通的水流通道→土体塌陷。•发生条件（2）级配（1）无黏性土10uC且满足一定的级配条件（3）水力梯度级配连续i=0.15～0.25级配不连续i=0.10～0.20四、基坑降水设计1.降水方案选择方法名称土类渗透系数/m/d降水深度/m水文地质特征集水明排填土、粉土、黏性土、砂土7～20.05上层滞水或水量不大的潜水降水真空井点0.1～20.0单级6多级20喷射井点0.1～20.020管井粉土、砂土、碎石土、可溶岩、破碎带1.0～200.05含水丰富的潜水、承压水、裂隙水截水黏性土、粉土、砂土、碎石土、可溶岩不限不限回灌填土、粉土、砂土、碎石土0.1～200不限2.降水参数计算（管井）（1）计算基坑平面等效半径)(29.00barAr0矩形任意形状Rr0HS（2）计算基坑影响半径潜水kHSR2kSR10承压水（3）计算基坑涌水量•潜水和承压水•完整井和非完整井•地表无补给水和有补给水(c)(b)(a)r0RSlM0r0RSlM0br0b2SlM0b1(d)(b)(c)(a)r0r0r0r0RRRbb1b2b'SHSHSSH隔水边界b(c)(a)(b)r0RhSHr0RSr0RSlllbbMH潜水、完整井、无补给)1lg()2(366.10rRSSHkQ潜水、非完整井、有补给承压水、完整井、有补给（5）计算单井出水量3s120qrlk1－沉砂管；2－钢筋焊接骨架；3－滤网；4－管身；5－吸水管；6－离心泵；7－小砾石过滤层；8－黏土封口；9－混凝土实壁管；10－混凝土过滤管；11－潜水泵；12－出水管混凝土实壁管混凝土过滤管混凝土过滤管砾石潜水泵出水管井孔（6）计算所需管井数量qQn1.1（7）计算井管长度211lilShLiLSl1h1l2il1降水井布置图水流的状态不随时间而变。五、二维稳定渗流steadyseepage（1）连续方程的建立dxdzxqxxqdqzqzzqdqzx1xxxxqvdzkidz()xxxxxqdqkididzzzzqkidx()zzzzzqdqkididx对稳定流，流入量＝流出量流入微单元的水量（厚度为1）流出微单元的水量1.二维稳定渗流的连续方程对稳定流，流入量＝流出量xzxxzzqqqdqqdq0xxzzkdidzkdidxxhixzhiz22220xzhhkkxz22220hhxzxzkk数学上称为Laplace方程（调和方程harmonicequation）PierreSimondeLaplace1749～1827连续方程水力梯度水头对各项同性土（3）势方程和流方程22220xzkhzx势方程22220hhxz渗流与等势线垂直xzCauchy-Riemann方程22220xz流方程（2）连续方程的解法•数学解析法•数值解法•试验法（比拟法）•图解法与之间满足不透水层板桩或连续墙（4）连续方程的解及流网flownet流线2C等势线1C边界边界边界边界流槽（1）满足渗流场的边界条件。（2）等势线与流线正交。（3）流网中四边形网格沿等势线和流线两个方向边长之比值相等（＝1）qkh各流槽流量相等，且有3.流网的应用（1）水头计算18825mbhh520mdbhhh14.5mbz9.0mdz10.5mwbbbhhz11.0mwdddhhz不透水层板桩或连续墙8.014.59.59.018bd123445.2/hHN8.0/81m流过每一格的水头损失总的水头损失流过的网格数总水头势水头压力水头（2）水力梯度计算（3）渗流量计算/ihl1.0/5.20.191qFqFkh33342.0108.010m/h不透水层板桩或连续墙8.014.59.59.018bd123445.2