工程地质与土力学第3章

土的渗透性与渗流第三章基本要求：1.掌握达西定律2.掌握渗透力的概念与计算3.掌握两种渗透变形破坏的机理§3土的水的渗透性碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、油等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性§3.1概述能量差§3土中水的渗透性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§3土中水的渗透性渗水压力扬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§3土中水的渗透性渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q§3土中水的渗透性渗流滑坡渗流滑坡§3.2土的渗透性试验前提：层流Δh↑，Q↑A↑，Q↑L↑，Q↓tLhAQ.断面平均流速水力坡降AqvLhiiv1.渗透试验§3土中水的渗透性试验结果试验装置：如图试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，Q，tΔh=h1-h2q=Q/t2.达西定律ikv达西定律§3土中水的渗透性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。一.达西定律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/day2.达西定律§3.2土的渗透性粗粒土：①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适用条件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粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm二渗透系数的测定室内试验测定方法野外试验测定方法§3土中水的渗透性常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验测定方法•（一）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:Q，ti=Δh/LQ=qt=vAtv=kihtAQLk适用土类：透水性较好的砂性土二、土的渗透系数的测定二土的渗透系数的测定•二、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21图2-5变水头渗透试验•室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt21hhlnAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值21图2-5变水头渗透试验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•室内两种试验方法比较不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土•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/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2)(ln212212hhkrrq212212)/ln(hhrrqk缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：三、影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构结合水膜的厚度土粒特性、流体特性）(fk水的动力粘滞系数饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力试验观察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。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h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhwR=γ`L土水整体分析§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhwR=γ`L－γwΔhR=γ`L渗流中的土体§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流中的土体向上渗流存在时，支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwi§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力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，它是体积力j=γwi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架基本类型二.渗透变形（渗透破坏）流砂管涌§3.6渗透力与渗透变形§3土中水的渗透规律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§3.4渗透力与渗透变形一.渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1R=γ’L－γwΔh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，支持力减少临界水力坡降i=Δh/L=γ`/γwicr=γ`/γwγ’L－γwΔh=0e1)1G(wse11Giscr粘性土k1k2砂性土k2坝体二.渗透变形（渗透破坏）流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW—和土的密实程度有关—eGiiscr11§3.4渗透力与渗透变形渗流原因：1.基本类型二.渗透变形（渗透破坏）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。§3.4渗透力与渗透变形管涌管涌破坏1.基本类型流土与管涌的比较流砂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§3.4渗透力与渗透变形二.渗透变形2.形成条件scrFiiiFs:安全系数1.5～2.0§3.4渗透力与渗透变形二.渗透变形[i]:允许坡降iicr:i=icr:iicr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流砂经验判断：3.防治措施scrFiii增大[i]：下游增加透水盖重§3.4渗透力与渗透变形二.渗透变形防治流砂土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降§3土中水的渗透规律透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流1.饱和土中的应力形态PSPSVaaA§3.5渗流情况下的孔隙水应力和有效应力一.有效应力原理的基本概念PSA：Aw：As：土单元的断面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积a-a断面通过土颗粒的接触点有效应力σ’1AAwu'wsvAuPAa-a断面竖向力平衡：wSAAAuAAAPwsvu：孔隙水压力§3.5渗流情况下的孔隙水应力和有效应力2.饱和土的有效应力原理基本内容u'（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’和u，并且（2）土的变形与强度都只取决于有效应力有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定通常,u'③孔隙水压力的作用对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响；它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。①变形的原因颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动—与σ’有关；接触点处应力过大而破碎—与σ’有关。②强度的成因凝聚力和摩擦—与σ’有关饱和土的有效应力原理u'（2）（1）土的变形与强度都只取决于有效应力二、在静水条件下土中的孔隙水应力和有效应力上图为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为h1,土的饱和容重为γsat，则土面下深度为h2的a-a平面上的总应力为孔隙水应力为于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，与超出土面以上静水位的高低无关。三、在稳定渗流作用下的孔隙水应力和有效应力上图表示在水位差作用下，发生由上向下的渗流情况。此时在土层表面b-b上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于γwh1，a-a平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为a-a平面上的总应力等于于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为与静水情况相比，当有向下渗流作用时，a-a平面上的总应力保持不变，孔隙水应力减少了γwh。因而，证明了总应力不变的条件下孔隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。问：渗透力等于？同理可推导向上渗流的情况。与静水情况相比，当有向上渗流作用时，a-a平面上的总应力保持不变，孔隙水应力增加了γwh，而有效应力相应地减少了γwh。因而，又一次证明在总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少。