土力学-第二章土的渗透性及渗流.ppt

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1、第二章 土的渗透性及水的渗流u 第一节第一节 土的渗透定律土的渗透定律u 第二节第二节 渗透系数及其测定渗透系数及其测定u 第三节第三节 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度u 第四节第四节 二维稳定渗流问题（自学）二维稳定渗流问题（自学）主主 要要 内内 容容什么是土的渗透性和水的渗流？什么是土的渗透性和水的渗流？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水在土体孔隙中流动的现象水在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水透过的性质土具有被水透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流土土土的力学性质土的力

2、学性质为什么要学习土的渗透性和水的渗流？为什么要学习土的渗透性和水的渗流？土的渗透性和水的渗流土的渗透性和水的渗流（1）渗透变形（破坏）问题渗透变形（破坏）问题（2）渗流量的计算问题渗流量的计算问题（3）渗流变形控制问题渗流变形控制问题工程活动工程活动直接影响直接影响 Teton大坝，大坝，位于美国爱达位于美国爱达荷州的东南部，荷州的东南部，为高为高93m93m的土坝。的土坝。1976年年6月月5日日该坝完成后第该坝完成后第一次蓄水时即一次蓄水时即发生破坏，造发生破坏，造成成11人死亡及人死亡及数百万美元的数百万美元的损失。破坏是损失。破坏是由右岸距坝顶由右岸距坝顶约约40m处的一个处的一个漏

3、洞引起的漏洞引起的。1、渗透变形（破坏）问题、渗透变形（破坏）问题因渗流造成土体变形甚至破坏因渗流造成土体变形甚至破坏2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题 土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；基坑开挖渗水量及排水量计算；基坑开挖渗水量及排水量计算；水井供水量估算等。水井供水量估算等。土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题渗流量渗流量渗透变形渗透变形渗水压力渗流量渗透变形透水层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

4、桩围护下的基坑渗流2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题p 基坑开挖降水基坑开挖降水井点降水井点降水管井降水管井降水渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题p 土石坝渗流的变形控制土石坝渗流的变形控制p 基坑渗流的变形控制基坑渗流的变形控制p 滑坡的渗流稳定问题滑坡的渗流稳定问题降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题3、渗流变形的控制问题、渗流变形的控制问题

5、降雨入渗降雨入渗引发滑坡引发滑坡降雨入渗引发滑坡降雨入渗引发滑坡3、渗流变形的控制问题、渗流变形的控制问题2003年年7月三峡库区月三峡库区湖北省秭归县发生湖北省秭归县发生的千将坪滑坡，该的千将坪滑坡，该滑坡造成滑坡造成24人死人死亡，亡，22艘船翻沉。艘船翻沉。3、渗流变形的控制问题、渗流变形的控制问题库水位升降引发滑坡库水位升降引发滑坡O 一、水头一、水头O 二、水力梯度二、水力梯度O 三、达西渗透定律三、达西渗透定律O 四、达西定律的适用范围四、达西定律的适用范围第一节第一节 土的渗透定律土的渗透定律ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙一、水头一、水头水头水头 hydr

6、aulic head：单位重量的水所具有的能量。：单位重量的水所具有的能量。总水头线总水头线AB0基准面基准面水力坡降线水力坡降线土中渗流速度土中渗流速度通常较小，通常较小，可忽略，故有可忽略，故有孔隙水压孔隙水压渗流速度渗流速度势水头势水头位置水头位置水头静水头静水头压力水头压力水头动水头动水头速度水头速度水头测压管水头测压管水头水力梯度（坡降）hydraulic gradient测压管 piezometer tube单位流程的水头损失。总水头线AB二、水力梯度二、水力梯度试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L，q断面平均流速断面平均流速水力梯度水力梯度1.1.达西渗透试验达西渗透试

7、验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h1，A，L=const量测变量量测变量:h2，V，th=h1-h2q=V/t三、达西渗透定律三、达西渗透定律2.2.达西定律达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度与水力梯度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。注意：注意：AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面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vs：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:反映土的透水性能的比例系

8、数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：物理意义：水力梯度水力梯度i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day土截面土截面 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）按地下水的渗流状态按地下水的渗流状态四、达西渗透定律的适用范围四、达西渗透定律的适用范围线性流（层流）线性流（层流）地下水的渗流速度地下水的渗流速度与水力梯度成正比与水力梯度成正比非线性流（紊流）非线性流（紊流）地下水的渗流速度与地下水的渗流速度与水力梯度成非线性关系水力梯度成非线性关系线性稳定流线性稳定流线性非稳定流线性非稳定流非线性稳定流非线性稳定流非线性非

9、稳定流非线性非稳定流我们现在需要掌握和理解的达西定律我们现在需要掌握和理解的达西定律达西定律适用达西定律适用 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土砂土或或一般一般粘土粘土，均属，均属层流层流范围范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊紊流流状态，渗流状态，渗流不再服从不再服从达西定律。达西定律。可用雷诺数可用雷诺数R Re e进行判断：进行判断：雷诺数雷诺数R Re e：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数 Re1

10、0时层流时层流 Re 100时紊流时紊流 100 Re 10时为过渡区时为过渡区（1）粗粒土：）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/siivoi0 两种特例：两种特例：（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密的粘土 i i0 修正：修正：v=k(i-i0)vovcrO 一、渗透系数的影响因素一、渗透系数的影响因素O 二、渗透系数的测定方法二、渗透系数的测定方法O 三、成层土的平均渗透系数三、成层土的平均渗透系数第二节第二节 渗透系数及其测定渗透系数及其测定粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分

11、矿物成分结构结构饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数一、渗透系数的影响因素一、渗透系数的影响因素D10 Hazen(1892)（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径、级配和矿物成分有效颗粒尺寸有效颗粒尺寸effective grain sizeb.不均匀系数不均匀系数Cu对渗透性的影响不大。对渗透性的影响不大。a.砂土的渗透性由其中的小颗粒控制砂土的渗透性由其中的小颗粒控制土中孔隙直径大小是主要影响因素；土中孔隙直径大小是主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗充填，故土体孔隙的大小一般由

12、细颗粒所控制。粒所控制。D5 Kenney(1984)渗透系数渗透系数土粒特性对渗透系数的影响土粒特性对渗透系数的影响d.细粒土的渗透性与液体的极性有关。细粒土的渗透性与液体的极性有关。（Mesri and Olson，1971）水水四氯化碳四氯化碳或苯或苯c.渗透系数：蒙脱石渗透系数：蒙脱石伊利石伊利石 分散结构分散结构层状土层状土：（2）孔隙比或孔隙率孔隙比或孔隙率对于同一种土，渗透系数对于同一种土，渗透系数k一般随孔一般随孔隙比隙比e增大而增大。增大而增大。不饱和土中气泡对渗透性的影响：不饱和土中气泡对渗透性的影响：封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效 渗透面积

13、，还可以堵塞孔隙的通道。渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道。还可能使渗透系数随时间变化，还可能使渗透系数随时间变化，甚至使流速与水力梯度不成线性关系甚至使流速与水力梯度不成线性关系 而偏离达西定律。而偏离达西定律。（1）土的饱和度土的饱和度（2）水的动力粘滞度水的动力粘滞度流体特性对渗透系数的影响流体特性对渗透系数的影响饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100温度高温度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大渗透系数的换算渗透系数的换算室内试验测定方法室内试验测定方

14、法野外试验测定方法野外试验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二、二、渗透系数渗透系数的的测定方法测定方法适用于砂土适用于砂土（1）常水头渗透试验常水头渗透试验constant head permeability test由Darcy定律并有渗透系数温温度度修修正正hL土样土样AVQ（2 2）变水头渗透试验）变水头渗透试验 falling head permeability test适用于粘性土适用于粘性土 流速计算流速计算 水力梯度水力梯度由由Darcy定律定律 渗透系数渗透系数结果整理结果整理:选择几组选择几组h0,h1,

15、t0，t1，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值(3)(3)现场抽水试验现场抽水试验 pump test,permeability test适用于粗颗粒土适用于粗颗粒土由由Darcy定律定律水力梯度水力梯度平均流速平均流速（4 4）渗流速度测定试验）渗流速度测定试验适用于粗颗粒土适用于粗颗粒土水力梯度水力梯度平均流速平均流速渗流速度渗流速度由由Darcy定律定律等效渗透系数等效渗透系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状三、成层土的平均渗透系数三、成层土的平均渗透系数确立各层的确立各层的k考虑渗流方向考虑渗流方向H1H2H3Hhk1k2k3xzq1q3q2L1122不透水层不透水层水平渗流

16、水平渗流条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:将土层简化为均质土，便于计算将土层简化为均质土，便于计算总流量等于各土层流量之和总流量等于各土层流量之和（各层的水力梯度相等）（各层的水力梯度相等）水平渗流水平渗流将土层简化为均质土，便于计算将土层简化为均质土，便于计算H1H2H3Hhk1k2k3xzvy承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:竖直渗流竖直渗流将土层简化为均质土，便于计算将土层简化为均质土，便于计算总水头损失等于各土层水头损失之和总水头损失等于各土层水头损失之和（各层的流速相等）（各层的流速相等）例题分析解答：解答：按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数

17、按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制O 一、渗透力一、渗透力O 二、临界水力梯度二、临界水力梯度O 三、土的渗透破坏三、土的渗透破坏第三节第三节 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度h200hwL土样土样贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L 一、渗透力一、渗透力滤网滤网h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bR静水中的土体静水中的土体P2WP1A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+

18、wh1=L(+w)+whw R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体静水中的土体静水中的土体R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，向上渗流存在时，滤网支持力减少滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力总渗透力J=wh单位体积的渗透力单位体积的渗透力j=J/V=wh/L=wij=wi渗透力是土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。渗透力是土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。渗透力为渗透力为体积力体积力，方向，方向与与渗流方向渗流方向一致。一致。临界水力梯度临界水力梯度P2WP1A=1二、临界水力梯度二、临界水力梯度 有效应力有效应力effe

19、ctive stress土颗粒之间的作用力。土颗粒之间的作用力。R 临界水力梯度临界水力梯度critical hydraulic gradient有效应力为有效应力为0时对应的水力梯度。此时土将发生渗透破坏。时对应的水力梯度。此时土将发生渗透破坏。此时土体处于失此时土体处于失重或悬浮状态。重或悬浮状态。iic 不稳定不稳定土体是否发土体是否发生渗透破坏生渗透破坏的判别的判别基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏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形成条件 三、土的渗透破坏三、土的渗透破坏算例分析算例分析 流流 土土（流砂（流砂quic

20、k sand、翻砂、翻砂 boil sand）在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。发生悬浮、移动的现象。发生条件 要 求 管涌管涌 piping 在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失孔隙增大，渗流速度增加粗粒流走贯通的水流通道土体塌陷。发生条件（2）级配（1）无粘性土且满足一定的级配条件（3）水力梯度级配连续 i=0.150.25级配不连续 i=0.100.20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

21、出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中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的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动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无一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土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例题分析书中书中P55页题页题210解答：解答：小结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力梯度渗流中的水头与水力梯度渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状土的等效渗透系数层状土的等效渗透系数渗透力：渗透力：概念与计算概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件类型，条件作作 业业2327