(精品)土的渗流.ppt

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1、第二章第二章 土的渗透性与渗透问题土的渗透性与渗透问题2.1达西定律2.2渗透系数及其确定方法2.3渗透力与渗透变形2.4渗流工程问题与处理措施主要内容以饱和土为主以饱和土为主土力学三大核心问题之一！土力学三大核心问题之一！碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质概概 述述能量差（位置、能量差）能量差（位置、能量差）水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象原因：土体具有连续的孔隙（内因）；原因：土体具有连续的孔隙（内因）；水头差（外因）水头差（外因）渗流量渗流量渗透变

2、形渗透变形（管涌）（管涌）石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层石坝坝基坝身渗流石坝坝基坝身渗流渗流控制渗流控制渗透压力（隆起）渗透压力（隆起）渗流量渗流量（降水方法）（降水方法）渗透变形（流土）渗透变形（流土）透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流总水头势水头压力水头动水头总水头势水头压力水头动水头渗流中的渗流中的水头水头与与水力坡降水力坡降水头：单位重量的水所具有的能量。水头：单位重量的水所具有的能量。ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑土中水的渗流是由土中水的渗流是由水头势能水头势能驱动，由

3、水头高（势能大）驱动，由水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方的地方流向水头低（势能小）的地方。水力梯度（坡降）：水力梯度（坡降）：渗流中的渗流中的水头水头与与水力坡降水力坡降2.1 达西定律达西定律l一、一、达西定律达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗的渗透性进行研究透性进行研究结论：结论：*（饱和后测）（饱和后测）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 渗透速度：渗透速度：v=ki达西定律达西定律渗流量：渗流量：渗透定律渗透定律渗透定律渗透定律注意：注意：注意：注意：V V：假想渗流速度，土体试样全断面

4、的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvqVA VsAvk:k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数（水力传导系数水力传导系数）物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s,mm/s,cm/scm/s,m/s,m/day,m/s,m/dayVs也并非真实的流速，也并非真实的流速，难！难！各种土的渗透系数参考值（各种土的渗透系数参考值（cm/scm/s）二、达西定律适用范围与起始水力坡

5、降二、达西定律适用范围与起始水力坡降讨论：讨论：砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 a a、密实的粘土，需要克服、密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能结合水的粘滞阻力后才能发生渗透发生渗透;b b、渗透系数与水力坡降的、渗透系数与水力坡降的规律还规律还偏离达西定律而呈偏离达西定律而呈非线性关系。非线性关系。ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于达西定律适用于层层流流，不适用于，不适用于紊流紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度：

6、砂土中渗透速度：vcr=0.3-0.5cm/s适用条件适用条件适用条件适用条件ivovcrivi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土粘土及砂性较重的粘性土两种特例两种特例两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土（粘滞阻力（粘滞阻力）起始水力梯度（区别较大）（区别较大）在在砾类土和巨粒土砾类土和巨粒土中，只有在中，只有在小小的水力梯度下，渗透速度的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈线性关系，而在较大的水力梯度下，水在与水力梯度才呈线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中的流动即进入紊流状态，则呈非线性关系，此时达西土中的

7、流动即进入紊流状态，则呈非线性关系，此时达西定律不能适用定律不能适用。1、渗透系数反映土的透水性，其量纲：、渗透系数反映土的透水性，其量纲：A.与流速相同；与流速相同；B.与流量相同；与流量相同；C.与面积相同；与面积相同；D.无量纲。无量纲。2、比较地下水在不同土壤中渗透系数的大小、比较地下水在不同土壤中渗透系数的大小(粘土粘土k1，黄土，黄土k2，细砂，细砂k3)：A.k1 k2k3；B.k1k2k3；C.k2 k1k3；D.k3k110-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。2.2.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

8、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 dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=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 常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t 室内试

9、验方法对比室内试验方法对比不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土二二.影响因素影响因素 土粒特性土粒特性流体特性流体特性粒径大小及级配粒径大小及级配粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分矿物成分矿物成分结构和构造（结构和构造（结构和构造（结构和构造（扰动与击实扰动与击实扰动与击实扰动与击实）l水的动力粘滞系数（水温）水的动力粘滞系数（水温）l饱和度（含气量）饱和度（含气量）减小过水断面积，封闭气泡减小过水断面积，封闭气泡土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，土粒愈粗、

10、大小愈均匀、形状愈圆滑，k k值也就愈大。值也就愈大。值也就愈大。值也就愈大。对于砂土，对于砂土，对于砂土，对于砂土，k k值大致上与土的孔隙比的二次方成正比值大致上与土的孔隙比的二次方成正比值大致上与土的孔隙比的二次方成正比值大致上与土的孔隙比的二次方成正比。三、成层土的渗透系数三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 达西定律达西定律整个土层与层面平整个土层与层面平行的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数2.垂直渗透系数垂直

11、渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 垂直渗垂直渗透系数透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水头损失之和头损失之和 代入代入整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直的等效渗透系数的等效渗透系数 H1H2H3k1k2k3x0.01m/day1m/day100m/day1m1m1m水平向渗透系数：=33.67m/day按层厚加权平均，由较大值按层厚加权平均，

12、由较大值控制控制,近似为近似为kH /H。竖直向渗透系数：=0.03m/day倒数按层厚加权平均，由较小倒数按层厚加权平均，由较小值控制近似为值控制近似为k”H/H”。四、例题分析四、例题分析2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透力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

13、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 动水压力动水压力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：渗渗透透力力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ab

14、c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方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出小大：小大：j=wi方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架 2.临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任

15、何当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于力作用，好像处于悬浮悬浮状态，这时的水力坡降即为状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。临界水力坡降。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Fs(1.53)，作为，作为允许水力坡降允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的设计时，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安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内二、渗透变形二、渗透变形 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

16、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.流土流土土中发生土中发生自下而上自下而上渗流时，渗透力大小超过土的浮重渗流时，渗透力大小超过土的浮重度，导致土粒间度，导致土粒间有效应力有效应力为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土粒为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土粒流动的现象流动的现象。形成条件形成条件Fs:安全系数安全系数1.53.0 i :允许坡降允许坡降i icr:土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态经验判断：经验判断：流土发生于地基或土坝下游流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处渗流出逸处，不发生于土体内部。不发生于土体

17、内部。开开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发生在颗粒挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发生在颗粒级配均匀的级配均匀的饱和细、粉砂、粉土、淤泥饱和细、粉砂、粉土、淤泥层中。层中。它的发生一般是突它的发生一般是突发性的，对工程危害极大。发性的，对工程危害极大。发生的位置及土类型发生的位置及土类型研究表明：研究表明：土的不均匀系数愈大，土的不均匀系数愈大，i icr愈小；愈小；土中细粒含量高，土中细粒含量高，i icr增大；增大；渗透系数愈大，渗透系数愈大，i icr愈小。愈小。2.2.管涌管涌在渗流作用下，在渗流作用下，一定级配的无粘性一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通土

18、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。的管道。内因内因有足够多的粗有足够多的粗颗粒形成大于细粒直颗粒形成大于细粒直径的孔隙（径的孔隙（几何条件：几何条件：Cu10Cu10 的土容易发生的土容易发生管涌管涌）外因外因渗透力足够大渗透力足够大（水力条件：水力条件：i icr 的计的计算算尚未成熟尚未成熟）管涌既可以发生在管涌既可以发生在土体内部土体内部，也，也可以发生在可以发生在渗流出口处。多发生渗流出口处。多发生在无粘性土中，在无粘性土中，其特征是颗粒大其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，小

19、差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。孔隙直径大且相互连通。发展一发展一般有个时间过程，是一种渐进性般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。的破坏。形成条件形成条件发生的位置及土类型发生的位置及土类型通过试验来测定通过试验来测定 3.3.流土与管涌的判别流土与管涌的判别与与土的类别土的类别、颗粒级配颗粒级配以及以及水力条件水力条件等因素有关等因素有关 。粘性土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由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生发生流土破坏流土破坏；一般认为不均匀系数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

20、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流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围

21、的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口共同点：因土体损失导致土体（及结构）变形共同点：因土体损

22、失导致土体（及结构）变形三、例题分析三、例题分析l【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比孔隙比e=0.82，下游渗下游渗流出口处经计算水力坡降流出口处经计算水力坡降i为为0.2，若取安全系数，若取安全系数Fs为为2.5，试问，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏。该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏。【解答】解答】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏流土破坏 允许水力坡降允许水力坡降 2.4 渗流工程问题与处理措施渗流工程问题与处理措施 一、渗流工程问题一、渗流工程问

23、题1.1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力筑物基础产生浮托力 2.2.地下水的潜蚀作用地下水的潜蚀作用（自然界中）（自然界中）*由人类工程活动所引起的这种现象叫管涌。由人类工程活动所引起的这种现象叫管涌。1）机械潜蚀）机械潜蚀：渗流机械力带走土粒：渗流机械力带走土粒2）化学潜蚀）化学潜蚀：土粒溶解后被带走：土粒溶解后被带走空洞空洞塌陷塌陷地基土地基土潜蚀危害潜蚀危害4.4.基坑突涌基坑突涌 当基坑下部有当基坑下部有承压水层承压水层时，开挖基坑减小了时，开挖基坑减小了底

24、板隔水层底板隔水层的厚度，的厚度，当隔水层较薄经受不住当隔水层较薄经受不住承压水头压力承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为坑底板，这种现象称为基坑突涌。基坑突涌。3.3.流土流土 流土在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑流土在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现。埋

25、设地下管道、打井等工程活动中常出现。石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；增长渗流路径；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；土层加固处理，如冻结法、注浆法等。防治防治流土流土二、防渗处理措施二、防渗处理措施防治防治管涌管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等 改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙设置反滤层，既可设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用而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，反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替。也可由土工布代替。