土力学 第2章 土的渗透性与渗流.ppt

郑州大学土木工程学院郑州大学土木工程学院第一节第一节 概述概述第二节第二节 土的渗透性与达西定律土的渗透性与达西定律第三节第三节 渗透系数的测定及其影响因素渗透系数的测定及其影响因素第四节第四节 二维渗流、流网及工程应用二维渗流、流网及工程应用第五节第五节 渗流力与渗透破坏渗流力与渗透破坏第一节第一节 土的渗透问题概述土的渗透问题概述浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透(permeability)或或渗流渗流(seepage)闸基渗流模拟闸基渗流模拟 基坑渗流模拟基坑渗流模拟 第二节第二节 土的渗透性与达西定律土的渗透性与达西定律一、地下水的运动方式一、地下水的运动方式1 1。层流和湍流。层流和湍流2 2。稳定流和非稳定流。稳定流和非稳定流3 3。单向流动，二维流动和三维流动。单向流动，二维流动和三维流动二、水头和水力坡降的概念二、水头和水力坡降的概念三、三、达西定律达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的的渗透性进行研究渗透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比试样的水力梯度成正比v=ki达西定律达西定律i-水力梯度水力梯度(hydraulic gradient)，即沿即沿渗流方向单渗流方向单位距位距离的水头损失离的水头损失 k-渗透系数渗透系数(permeability coefficient)v-渗透速度渗透速度(seepage velocity)，非真实流非真实流速速四、达西定律适用范围与起始水头坡降四、达西定律适用范围与起始水头坡降达西定律达西定律讨论：讨论：1.1.砂土的渗透速度与砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系水头梯度呈线性关系 2.2.密实的粘土，需要密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透力后才能发生渗透;同同时渗透系数与水力坡时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系定律而呈非线性关系 ib计算起始计算起始水力坡降水力坡降虚直线简化虚直线简化v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土在砾类土和巨粒土中，在砾类土和巨粒土中，若水头梯度较大，水若水头梯度较大，水在其中的流动大多是在其中的流动大多是紊流状态，呈非线性紊流状态，呈非线性关系；只有在较小的关系；只有在较小的水头梯度时，才可能水头梯度时，才可能是线性的是线性的 达西定律适用于饱和砂土、达西定律适用于饱和砂土、层流，不适用于紊流层流，不适用于紊流0iv砾土砾土第三节 渗透系数的测定及影响因素一、渗透试验（室内）一、渗透试验（室内）时间时间t内流出的水量内流出的水量1.常水头试验常水头试验整个试验过整个试验过程中水头保持不变程中水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。2、变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经经时段时段dt后，细玻璃管中水位后，细玻璃管中水位降落降落dh，在时段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积分积分 适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数小的粘性土小的粘性土 二、现场抽水试验二、现场抽水试验根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻至不透水层时称为至不透水层时称为完整井完整井,井底未钻至不透井底未钻至不透水层时称水层时称非完整井非完整井 无压完整井无压完整井无压非完整井无压非完整井三、影响渗透系数的因素三、影响渗透系数的因素1.土粒大小与级配土粒大小与级配 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。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度土的密实度 3.水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 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。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。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。含量愈多，土的渗透性愈小。T、20分别为分别为T和和20时水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 四、成层土的渗透性四、成层土的渗透性第四节第四节 二维渗流、流网及工程应用二维渗流、流网及工程应用 一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程势函数势函数 ，流函数，均满足拉普拉斯方程，流函数，均满足拉普拉斯方程等势线，流线，互相垂直等势线，流线，互相垂直二、平面渗流的流网解法二、平面渗流的流网解法 三、流网的工程应用三、流网的工程应用 任意两等势线间的水头差任意两等势线间的水头差渗流速度渗流速度 单宽流量单宽流量孔隙水压力孔隙水压力 第五节第五节 渗流力与渗流破坏渗流力与渗流破坏1 1、渗流力和临界水头梯度渗流力和临界水头梯度渗流力渗流力(seepage force)渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为引起的水头损失为h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 土样土样面积面积根据牛顿第三定律，试样的总根据牛顿第三定律，试样的总渗流力渗流力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说说明明：渗渗流流力力j是是渗渗流流对对单单位位土土体体的的作作用用力力，是是一一种种体体积积力力，其其大大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利对稳定不利渗流力与重力渗流力与重力方向相反，当方向相反，当渗透力大于土渗透力大于土体的有效重度，体的有效重度，土粒将被水流土粒将被水流冲出冲出2 2、渗透变形、渗透变形(seepage deformation)渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌）(1)流土流土(soil flow,floating earth,quick sand)在渗流作用下，在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土局部土体表面隆起，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、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淤泥等较易发生流土破坏 (2)管涌管涌(piping)或或潜蚀潜蚀(suffosion)在渗流作用下，无粘性在渗流作用下，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展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 (3)流土与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配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以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象生流土现象3 3、临、临界水头坡降界水头坡降(critical hydraulic gradient)使土体使土体开始发生渗透变形的水头梯度开始发生渗透变形的水头梯度GJ流土：流土：当土块的水下重力与渗透力相等当土块的水下重力与渗透力相等或或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数FsFs(23)，作为允许水力坡降作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全，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将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内管涌：管涌：4 4、防渗处理措施、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗均属于垂直截渗 设置水平铺盖设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 设置板桩设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘并同时进行挖掘