土力学与基础工程-第四章土的渗透性.ppt

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1、第四章 土的渗透性及渗透稳定第一节第一节 概述概述第二节第二节 土的渗透性土的渗透性第三节第三节 静水和稳定渗流情况下土的应力状态静水和稳定渗流情况下土的应力状态第四节第四节 土的渗透稳定土的渗透稳定第五节第五节 二维渗流和流网的应用二维渗流和流网的应用第六节第六节 有关渗透性的几个应用有关渗透性的几个应用第一第一节 概述概述一一 渗流渗流 1 1 渗流：水在重力作用下，透渗流：水在重力作用下，透过土体土体发生运生运动，这一一现象称象称为渗流渗流 2 2 土的渗透性：土体被水透土的渗透性：土体被水透过的性的性质 a 土坝渗流土坝渗流b 闸基渗流闸基渗流二二 水在土中渗流水在土中渗流导致的致的问

2、题（1 1）出）出现渗漏，渗漏，导致水量致水量损失，影响工程效失，影响工程效 益益（2 2）使土体）使土体发生局部渗透生局部渗透变形破坏。形破坏。-水水库失事的重要原因失事的重要原因（3 3）影响土体的固）影响土体的固结、强度及度及稳定和工程施定和工程施 工。工。渗流量渗流量扬压力扬压力渗水压力渗水压力渗透破坏渗透破坏渗流速度渗流速度渗水面位置渗水面位置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性三三 土渗流特性土渗流特性n位置水头：位置水头：到基准面的竖直距到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基

3、离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能准面算起所具有的位置势能n压力水头：压力水头：水压力所能引起的水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能量液体所具有的压力势能n测管水头：测管水头：测管水面到基准面测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量压力水头之和，表示单位重量液体的总势能液体的总势能n在静止液体中各点的测管水头在静止液体中各点的测管水头相等相等第二节第二节 土的渗流性土的渗流性一一 位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水水往低处

4、流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动水流动的驱动力水流动的驱动力 n位置势能：位置势能：mgzn压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能：动能：n总能量：总能量：称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力n单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：二二 渗流中的水头与水力梯度渗流中的水头与水力梯度透水层透水层不透水层不透水

5、层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程LABABLhAzA基准面基准面n 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面）压力水头压力水头u/w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力）流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）n 渗流的总水头：渗流的总水头：1 1 渗流问题的水头渗流问

6、题的水头也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处2 2 水力梯度水力梯度 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力梯度水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失 A A点总水头：点总水头：三三 达西渗透试验达西渗透试验1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验或：或：其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积A1 1 达西定律达西

7、定律n达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，渗渗透透速速度度v与与水水力力坡坡降降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k:反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/dayn渗渗透透速速度度v：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假假想想渗流速度渗流速度其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速2 2 达西定律的适用范围达西定律的适用范

8、围n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判定律。可用雷诺数进行判断断 ：2.01.51.00.50流速流速(m/h)0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围水水力力坡坡降降砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=Re5时层流时层流Re 200时紊流

9、时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时：n 两种特例两种特例对致密的粘性土，存在起始水力对致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i i0 0？iib,v=k(i-ib)四四 渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验 室内试验方法室内试验方法 野外试验方法野外试验方法 经验估算法经验估算法（1）常水头试验试验条件：h,L,A量测变量：体积v,t

10、V=Qt=vAtV=ki适用土类：透水性较大 的砂性土 1 室内实验法AQAQat=t1t=t2(2)变水头试验试验条件：h的变化，A,a,L量测变量:h,t适用土类：透水性较小的粘性土在在tt+dt时段内：时段内：入流量入流量：dVe=-adh 出流量：出流量：dVo=kiAdt=k(h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo-adh=k(h/L)Adt选择几组量测结果选择几组量测结果，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值AQ2 2 现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验n 试验条件试验条件:Q=constn 量测变量量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？优点：可获

11、得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长3 3 经验估算法经验估算法室内试验、现场试验及工程实践表明，土的渗透系数大小与颗粒粒径（尤其有效粒径）、土的孔隙比（或孔隙率）和水的粘滞系数等有关。建议者建议者建议公式建议公式符号说明符号说明适用条件适用条件泰勒泰勒（Tayler,D.W）d50：土颗粒平均粒径，mm；：水的粘滞系数，g.s/cm2；e：土的孔隙比；C：颗粒形状系数。砂性土哈赞哈赞（Hazen）CH：哈赞常数，50150；T：水温，；d10：土的有效粒径，mm。上式适用于中等密实砂，下式适于土的有效粒径0.13

12、mm，Cu0 h0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：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的作用力，方向与渗流方向一致第四节第四节 土的渗透稳定土的渗透稳定h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗渗透透力力j j：单单位位土土体体内内土土骨骨架架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗

13、透水流的拖曳力截面积截面积A=1h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab 渗透力渗透力-受力分析受力分析WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L n 土水整体受力分析土水整体受力分析-静水静水截面积截面积A=1WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L-w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析-渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少。力减少。当滤网支持力为零当滤网支

14、持力为零时的水力坡降称为时的水力坡降称为临界水力临界水力梯度梯度icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：流土破坏时的水力梯度：R=L-w h=0n 临界水力梯度临界水力梯度h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr=h/L=/wicr取决于土取决于土的物理性质的物理性质由于由于=+WW Ww土水土水 =土骨架土骨架 +孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水隔离受力分析土水隔离受力分析R=L-w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W=L 总渗透力：总渗透力：J=Lj滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水

15、压力：水压力：P1=whw P2=wh1总渗透力：总渗透力：J=J水重水重+浮力反力：浮力反力：Ww=Vv w+Vs w=L w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j=wi土骨架受力平衡土骨架受力平衡渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：大小：j=j=w wi i方向：方向：与水力梯度方向一致与水力梯度方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形或破坏称为渗透变形或渗

16、透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型形是土工建筑物发生破坏的常见类型n基本类型：基本类型：管涌管涌 流土流土 接触流土接触流土 接触冲刷接触冲刷二二 土的渗透破坏形式土的渗透破坏形式单一土层渗透变形的单一土层渗透变形的两种基本型式两种基本型式n流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏都可发生流土破坏F 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关坝体粘性土k1k2砂性

17、土k2渗流F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，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地表贯通的管道过程演示过程演示1.在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被

18、水带走3.形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷坝体坝体渗流渗流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

19、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Fs:安全系数安全系数1.52.0 i :允许梯度允许梯度F i icr:土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：三三 渗透破坏的判别渗透破坏的判别 1 1流土可能性的判别流土可能性的判别n在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透梯度大于临性土和无粘性土，只要满足渗透梯度大于临界水力梯度这一水力条件，均要发生流土：界水力梯度这一水力条件，均要发生流土：n土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，

20、取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管粘性土（分散性土例外）属于非管涌土涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应无粘性土中发生管涌必须具备相应的的几何条件几何条件和和水力条件水力条件2 2 管涌可能性的判别管涌可能性的判别较均匀土较均匀土（CuCu 1010）几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含

21、量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0=d=d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F发生管涌的发生管涌的必必要条件要条件：粗颗粒：粗颗粒所构成的孔隙直所构成的孔隙直径大于细颗粒直径大于细颗粒直径径 几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别F 渗透力能够带渗透力能够带动细颗粒在孔隙动细颗粒在孔隙间滚动或移动。间滚动或移动。可用管涌临界水可用管涌临界水力梯度表示力梯度表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.

22、00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌水力梯度水力梯度级配连续土级配连续土 级配不连续土级配不连续土破坏梯度破坏梯度 icr0.20-0.400.1-0.3允许梯度允许梯度 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）伊斯托敏娜（苏）中国学者中国学者 Cu 20时时,icr ，考虑安全系数后：考虑安全系数后：透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线四四 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 F减小减小i i：上游延长渗径：上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压F增大增大i：下游增加透水下游增加透水 盖重盖重 改善几何条件：设反滤层等改善几何条件：设反滤层等 改善

23、水力条件：减小渗透坡降改善水力条件：减小渗透坡降n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌n平面问题：平面问题：渗流剖面和产生渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完的各个平面内，渗流状况完全一致。全一致。对平面问题，常取对平面问题，常取dy=1m单单位宽度的一片来进行分析位宽度的一片来进行分析h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关与时间无关n 稳定渗流：稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流流场不随时间发生变化的渗流h一一 平面稳定渗流平面稳定渗流第五节第五节 二维渗流和流网的应用二维渗流和流网的

24、应用渗流的连续性方程渗流的连续性方程 单位时间流入单元的水量单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：渗流的连续性方程：单位时间内流出单元的水量单位时间内流出单元的水量:连续性条件连续性条件:dxdzvxvzxz渗流的运动方程渗流的运动方程 达西定律：达西定律：渗流的连续性方程：渗流的连续性方程：渗流的运动方程：渗流的运动方程：F特例：各向同性均质土体特例：各向同性均质土体 k kx x=k=kz zLaplaceLaplace方程，方程，描述渗流场描述渗流场内水头的分布，是平面稳定内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程渗流的基本方程F数学解析法或近似解析法：数学解析法或近似解析法：求取渗流运

25、动方程在求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解件下，求其近似解F数值解法：数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展年来得到迅速地发展F电比拟试验法：电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题直观，可以用于二维问题和三维问题F流网法：流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题复杂断面的渗流问题渗流分析的方法渗流分析的方法n是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直

26、径大小的主要影响因素响因素n因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式：土土的的性性质质渗透系数的影响因素 第六节第六节 有关土渗透性的几个问题有关土渗透性的几个问题粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构n是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与与渗透系数渗透系数k之间的关系，如：之间的

27、关系，如：粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构土土的的性性质质n对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，影响颗粒的表面力n不同粘土矿物之间渗透系数相差不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高极大，其渗透性大小的次序为高岭石岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石；当粘土中；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低渗透性将越低n塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构土土的的性性质质n影

28、响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大对粘性土影响更大n在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构土土的的性性质质饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构n水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数：温度温度，水粘滞性，水粘滞性，k n饱和度（含气量）：饱和度（含气量）：封闭气泡对封闭气泡对k影响很影响很大，可减少有效渗透大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔面积，还可以堵塞孔隙的通道隙的通道水水的的性性质质本章结束