第三章-土的渗透性及渗流

土力学孙秀丽博士/副教授江南大学环境与土木工程学院2020年11月5日星期四9时46分17秒2第三章土的渗透性及渗流§3.1工程背景§3.2土的渗流理论§3.3土中二维渗流及流网§3.4渗流力与渗透破坏2020年11月5日星期四9时46分17秒3§3.1工程背景渗流：在水头差的作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一。渗流与土的强度、变形、稳定性相互关联、相互影响，直接影响工程安全。2020年11月5日星期四9时46分17秒4隧道开挖时，地下水向隧道内流动2020年11月5日星期四9时46分17秒5闸基上图是水利工程中的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。2020年11月5日星期四9时46分17秒6软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩深入坑内。透水层不透水层基坑板桩墙2020年11月5日星期四9时46分17秒7上海轨道交通4号线发生管涌坍塌轨道交通4号线穿越黄浦江底约2公里长的区间隧道内，距离浦西江边防汛墙53m，并且地处30m以下的地下深层，事故发生点位于地下土层第7层。旁通道工程采用冻结加固暗挖法施工，事故发生时离旁通道贯通尚余0.8m。2003年7月1日，因大量水、流砂涌人旁通道。引起隧道受损及周边地区地面沉降，造成三幢建筑物严重倾斜，防汛墙由裂缝、沉降演变至塌陷，隧道区间由渗水、进水发展为结构损坏，附近地面也出现不同程度的裂缝、沉降，并发生了防汛墙围堰管涌等险情。6月29日凌晨约3:00，测得水阀处水压为2.3kg/cm2，与第7层承压水水压接近，XT1温度测量孔内隧道钢管片交接处土体温度为8.7℃。2020年11月5日星期四9时46分17秒8这起工程事故直接经济损失初步估算为1.5亿元人民币左右2020年11月5日星期四9时46分17秒92020年11月5日星期四9时46分17秒102020年11月5日星期四9时46分17秒112020年11月5日星期四9时46分17秒12⑴渗流量问题基坑开挖时，需计算渗水量及排水量，以便配置排水设备。⑵渗透破坏问题渗流对土粒施加的渗流力过大会产生流砂、管涌现象；渗流导致堤坝失稳、地面隆起等现象。⑶渗流控制问题防治流砂、管涌现象措施等2020年11月5日星期四9时46分17秒13§3.2土的渗流理论水为什么会流动？土中水为什么会发生渗流？水头差压力水头速度水头位置水头忽略不计如何定性和定量化评价水在土中的渗透性的大小？如何来描述？水在土中渗透有规律可以遵循吗？2020年11月5日星期四9时46分17秒14（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总和为渗流所充满。一、渗流模型实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙，由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则。（1）不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；—“截弯取直”—“视而不见”简化流量相等压力相等阻力相等层流状态2020年11月5日星期四9时46分17秒15二、达西（Darcy）定律1.达西定律达西（1856年）在分析大量试验资料的基础上，发现土中渗透的渗流量q与渗流断面A和水头损失h成正比，与渗流路径成反比。式中，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时的渗透速度，cm/s。k为反映土渗透能力强弱的定量指标，也是渗流计算时必用的一个基本参数。或达西定律2020年11月5日星期四9时46分17秒162.达西渗透试验①直立圆筒：横截面积为A，其侧壁装有两支相距为L的侧压管，上端开口。②滤板：填放颗粒均匀的砂土。③溢水管：水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管溢出，使筒内的水位维持恒定。④出水管：渗透过砂层的水从出水管流入量杯⑤中。⑤量杯：计算渗流量Q。同时读取断面1-1和断面2-2处的测压管水头值h1和h2，得到两端面之间的水头损失量h=（L+h1）-h2，流速v=Q/(t·A)砂土2020年11月5日星期四9时46分17秒17粘性土颗粒周围存在着结合水，结合水因受分析引力作用而呈现出粘滞性，需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常吧克服此粘滞阻力所需要的水力梯度，称为粘土的起始水力梯度i0，只有在达到起始水力梯度后才能发生渗流。3.达西定律的适用条件粗粒土：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砂土、一般粘土：V=ki极细的粘土：ii0,v=k(i-i0)i0i层流iocr)1m(kivm紊流2020年11月5日星期四9时46分17秒18三、渗透系数的确定经验确定室内渗透试验参考经验值试验测定常水头试验变水头试验细砂~中等卵石粘性土现场试验经验公式2020年11月5日星期四9时46分17秒19试验时将高度为L，横截面为A的试样装入垂直放置的圆筒中，从土样的上端注入与现场温度完全相同的水，并用溢水口使水头保持不变。土样在不变的水头差h作用下产生渗流，当渗流达到稳定后，测得t时间内流经试样的水量为Q，而土样渗流流量q=Q/t，则k为1.常水头试验常水头试验适用于透水性加大(k10-3cm/s)的到中等卵石土。2020年11月5日星期四9时46分17秒202.变水头试验当土样的渗透性较差时，由于流量太小，加上水的蒸发，使量测非常困难，此时宜采用变水头试验测定k值。试样的截面面积为A，量管的过水断面积为A’。水在压力差的作用下经试样渗流，玻璃量管中的水位逐渐减小，然后读取两个时间t1和t2对应的水头高度h1和h2.可导出变水头试验适用于透水性较小(10-7k10-3cm/s)的粘性土2020年11月5日星期四9时46分17秒21变水头试验公式推导积分积分可得渗透系数2020年11月5日星期四9时46分17秒223.现场测定法（粗颗粒土或成层土）——野外抽水试验优点：现场测定法的实验条件比试验室测定法更符合实际土层的渗透情况，测得的渗透系数k值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平均值，是比较可靠的测定方法。缺点：试验规模较大，所需人力物力也较多。2020年11月5日星期四9时46分17秒23图（a）无压完整井抽水试验图（b）无压非完整井抽水试验抽水试验分类2020年11月5日星期四9时46分17秒24现场抽水试验公式（裘布依公式）的推导无压完整井抽水试验A=2rz,i=dzdrq=2rz·kdzdr积分=zdzqdr2krq=kAi=zdzq2kdrrlnr=z2+cqk将任意距离为r1和r2的观测孔的水位h1和h2，代入上式，得(lnr2-lnr1)=h22-h12qkk=q(lnr2-lnr1)(h22-h12)可得渗透系数k为2020年11月5日星期四9时46分17秒254.经验确定参考经验值在无实测资料时，可以参照有关规范或已建成工程的资料来选定k值，有关常见土的渗透系数参考值如下表。2020年11月5日星期四9时46分17秒26参考经验值1991年哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:210dK22102edK渗透系数还可以用一些经验公式来估算，这些经验公式虽有其实用的一面，但都有其适用条件和局限性，可靠性较差，一般只在作粗略估计时采用。2020年11月5日星期四9时46分17秒27§3.3土中二维渗流及流网前述渗流属简单边界条件下的一维渗流，可用达西定律进行渗流计算。但实际工程中，边界条件复杂，如围堰工程、坝基、闸基等工程中的渗流，这类介质内的流动特性逐点不同，不能再视为一维渗流。这些构筑物的共同特点是轴线长度远大于其横向尺寸，因而可以认为渗流仅发生在横断面内，可以简化为二维渗流或平面渗流。1.概述2020年11月5日星期四9时46分17秒28渗流场中各点的渗流速度v与水力梯度i等均是位置坐标的函数。首先要建立他们的渗流微分方程（取单元体进行分析），渗流问题可归结为拉普拉斯（Laplacs）方程，然后结合渗流边界条件与初始条件进行求解。求解方法(1)解析解法；（2）数值解法；（3）图解法（流网）；（4）模型试验。kx=∂2h∂2xkz∂2h∂2z2.二维渗流方程2020年11月5日星期四9时46分17秒29流网的特征对于各向同性渗流介质，流网具有下列特征：(1)流线与等势线互相正交；(2)流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为1时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网；(3)相邻等势线之间的水头损失相等；Δh=(4)各个流槽的渗流量相等。q=NfΔq3.流网的特征与绘制由这些特征可进一步知道，流网中等势线越密的部位，水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。板桩墙围堰的流网图ΔHNdaa'b'bΔH2020年11月5日星期四9时46分17秒30流网的绘制(1)按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；(2)判定边界条件：透水面（aa'，bb'）等势线；abc和不透水面为流线；(3)先试绘若干条流线(应相互平行，不交叉且是缓和曲线)；流线应与进水面、出水面(等势线)正交，并与不透水面(流线)接近平行，不交叉；(4)加绘等势线。需与流线正交，且每个渗流区的形状接近“方块”。板桩墙围堰的流网图aa'b'bΔHc2020年11月5日星期四9时46分17秒314.利用流网计算渗流量应用：水库、大坝水流失、基坑用水量q=kAiNd=11-1=10Δh=ΔHNdNf=5-1=4A=b1板桩墙围堰的流网图aa'b'bΔHbl总流量为Δq=kbΔHlNdq=kΔHNfNdblq=kΔHNfNdb/l=12020年11月5日星期四9时46分17秒32§3.4渗透破坏与控制q=kAi二维流网常水头试验变水头试验野外抽水试验流砂、管涌土坡稳定1.概述达西定律是贯穿第三章的主线2020年11月5日星期四9时46分17秒332.渗流力渗流力是渗透水流作用于土骨架产生的拖曳力称为渗透力或动水力。渗流力的计算在土中沿水流的渗透方向切取一个土柱体，将土柱体内的水作为脱离体进行受力分析。根据作用在土柱体内水上的各力平衡条件，可得渗流力：2020年11月5日星期四9时46分17秒34h1h2Gw=rwVv(1)f'=rwVs(2)(3)p2=rw(h2+z)·A,p1=rwh1A(4)T'=-J·A·l-rwAlsin-rwh1A+rw(h2+z)·A-J·A·l=0Gw+f'==rwAlsin=z/lJl=rw(h2-h1)J=rw(h2-h1)l=rwiJ=rwiGw+f'渗流力为体积力，与水力梯度成正比2020年11月5日星期四9时46分17秒35开挖深度内有4m-6m厚度流砂层，且地下水丰富2020年11月5日星期四9时46分17秒363.渗透破坏与控制J=rwiJ（1）流砂当向上的渗流力与土的浮重度相等时，粒间有效应力σ'为零，颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流砂现象（流土现象）。i≥icrJ=r'rwicr=r'icr=rwr'流砂icr大小与土的颗粒级配、细粒含量、密实度、渗透性等有关。2020年11月5日星期四9时46分17秒37流砂现象主要发生在颗粒级配均匀的饱和细砂、粉砂、粉土或受到扰动的低塑性的粉质粘土层中，而在粗粒土及粘土中不易产生。控制：工程设计时要求渗流逸出处i≤[i]=icr/K安全系数K=2～2.5（2）减小或消除水头差△h—井点降水法（3）增长渗流路径（板桩墙）（4）覆盖压重（5）土层加固或改性井点管滤管弯连管总管泵房2020年11月5日星期四9时46分17秒38（2）管涌在渗流作用下，土中细粒在粗粒形成的孔隙中被水流挟带走，随着孔隙不断扩大，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。管涌多发生在级配不连续，不均