第二章 土的渗透性及渗透稳定(确定)

土的渗透性及渗透稳定第二章2010.9.6第二章土的渗透性及渗透稳定碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土体被水透过的性能渗透特性强度特性变形特性能量差渗漏(渗流量问题)因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。渗透稳定(渗透变形问题):土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。渗流控制问题：当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。土的渗透性研究主要包括以下三个方面渗流模型：1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。第二章土的渗透性及渗透稳定滑坡溃坝管涌防渗墙防渗墙射水法施工防渗墙管涌的治理反滤倒渗反滤围井蓄水反压渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流第二章土的渗透性及渗透稳定渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流第二章土的渗透性及渗透稳定渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q第二章土的渗透性及渗透稳定渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流第二章土的渗透性及渗透稳定渗流滑坡渗流滑坡第二章土的渗透性及渗透稳定渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工边坡渗流第二章土的渗透性及渗透稳定§2.1土的毛细性毛细现象：土中的水在表面张力作用下沿细的孔隙向上以及向其他地方移动的现象。毛细水：细微孔隙中的水一、土层中的毛细水带——土层中由于毛细现象所润湿的范围第二章土的渗透性及渗透稳定土中毛细现象1.正常毛细水带（毛细饱和带）位于毛细水带的下部，与地下潜水连通。随地下水位的升降而做相应的移动2.毛细网状水带位于毛细水带的中部3.毛细悬挂水位于毛细水带的上部§2-1土的毛细性第二章土的渗透性及渗透稳定二、毛细压力第二章土的渗透性及渗透稳定§2-1土的毛细性毛细压力：土粒接触面上存在毛细水，由于土粒表面的润湿作用，使毛细水形成弯面。在水和空气的分界面上产生表面张力是沿弯液面切线方向作用，它促使土粒互相靠拢，在土粒接触面上产生压力，称为毛细压力cchu•假定α=0,毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力§2-2达西定律及其适用范围一．Darcy定律二．Darcy定律的适用范围水在土中渗透的基本规律第二章土的渗透性及渗透稳定h1h2L§2-2达西定律及其适用范围一.Darcy定律Darcy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。ikV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/dayLhhLhi21水力坡降：第二章土的渗透性及渗透稳定nvvvs注意：AAvAAnvV：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度AAvQ＝VA＝VsAv§2-2达西定律及其适用范围第二章土的渗透性及渗透稳定二.达西定律适用条件上限：粗粒土vvcr①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s可以用粒径来描述Darcy定律的范围ivovcrivoi0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下限：粘性土致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm§2-2达西定律及其适用范围第二章土的渗透性及渗透稳定室内试验测定方法野外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一.渗透试验简介§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定1.室内试验方法1—常水头试验法一.渗透试验简介结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:Q，t适用土类：透水性较大的砂性土qtQhtAQLkvAqLhiikV)/10(3scmk§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定2.室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:Δh变化，A，L=const量测变量:Δh，t透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土一.渗透试验简介)/10(3scmk§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定tt+Δt结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdh流入量：流出量：连续性条件：21lnhhAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值一.渗透试验简介adhdQAdtLhkkiAdtdQdQdQhkAaLdhdt2121hhtthkAaLdhdt2112lnhhkAaLtttAdtLhkadh§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定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，t21hhlnAtaLkhtAQLk3.室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土一.渗透试验简介§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定4.野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ)hh(krrlnQ212212212212hh)r/rln(Qk缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：一.渗透试验简介§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定二.渗透系数的应用通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。强透水层中等透水层相对不透水层K10-2cm/sK=10-3~10-5cm/sK10-6cm/s卵石、圆砾等用于填筑坝体的防渗部位。§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构土粒特性、流体特性）(fk三.渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状四.层状地基的等效渗透系数§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:LhiiiixxqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiiixHkH1k§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:vviihhiHH等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)iiikvHhzkvHhiizkvHkvHiizkHHk)k1HH(k1iiz§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定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iizkHHk四.层状地基的等效渗透系数§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定算例说明day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiixday/m03.0kHHkiiz四.层状地基的等效渗透系数§2-3渗透系数及其确定方法第二章土的渗透性及渗透稳定§2-4渗流作用下土的应力状态一、静水条件下土的有效应力与中性应力1、总应力·土样自由水面·（面积）作用在截面上水柱和土的重量为：AhzzAhAWwsatsatw)(a点的应力：hzAWwsat2、中性应力a点孔隙内的水所具有的静水压力为：)(zhw第二章土的渗透性及渗透稳定3.有效应力a点除了作用有孔隙水压力外，还有土颗粒之间传递的有效应力，它直接由土颗粒的接触点传递压力，完全作用在土体骨架上而影响骨架土粒的结构变形，故称为有效应力。)(zhhzwwsatz`§2-4渗流作用下土的应力状态第二章土的渗透性及渗透稳定二、渗流作用下土的有效应力12土样水通过土层向下渗流21土样水通过土层向上渗流1、水通过土层向下渗流水面,保持不变动水压力11w1uh22w12u(hhh)总应力22w1sat2hh有效应力渗流作用铅直向下时，能使土的有效应力增加。2、水通过土层向上渗流ab11w1uh22w12u(hhh)22w1sat2hh渗流作用铅直向上时，则渗流引起的孔隙水压力可使土的有效应力减小，影响土的渗透稳定。hhuw2222222、、hhuw2222222、、§2-4渗流作用下土的应力状态第二章土的渗透性及渗透稳定三、渗透力试验观察h=0静水中，土骨架会受到浮力作用。h0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。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。渗透变形渗透力h1hh222hwL土样滤网贮水器ab11§2-4渗流作用下土的应力状态第二章土的渗透性及渗透稳定A=1则土粒对水流的阻力为：hAFw根据力的平衡，渗流作用于试样的总渗透力J应和土粒对水流的阻力F大小相等方向相反：hAFJwiLAhALAJjww渗透力:h1hh222hwL土样滤网贮水器ab11§2-4渗流作用下土的应力状态第二章土的渗透性及渗透稳定渗透力的性质物理意义：渗流作用于单位土体的力（kN/m），是渗流对土粒的作用力，为体积力。j=γwi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架§2-4渗流作用下土的应力状态第二章土的渗透性及渗透稳定基本类型一、渗透变形流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件防治措施§2-5渗透变形第二章土的渗透性及渗透稳定土粒间不存在接触应力，处于即将被浮动的临界状态。当'j时，土粒被渗流夹带向上浮动。总渗透力：wwhJLAiLAL浮重：''wLA'J=wwi＇当时，，有效应力：''wLh0''2whh0（）渗透变形的危害：a、土粒被渗流带走，地基中形成过通穴道，上部结构倒塌；b、滑坡。§2-5渗流变形第二章土的渗透性及渗透稳定粘性土k1k2砂性土k2坝体1、流土criiJW时—和土的密实程度有关—ediscr11渗流原因：在渗流作用下，粘性土或无粘性土体中某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生流动的现象。下游的土坡局部面积出现被渗流带走并导致坡面出现局部滑动。当i≥icr时,发生渗透破坏。流砂产生的原因：1.水在土中自下而上渗流2.J≥W二、渗透变形的基本形式（渗透破坏）（一）、基本形式§2-5渗流变形第二章土的渗透性及渗透稳定2、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，无粘性土土体中的细小颗粒，通过粗大颗粒的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。管涌管涌破坏（一）、基本形式§2-5渗流变形第二章