土力学与地基基础任务5土中水及其渗透性.pptx

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1、任务任务5 土中水及其渗透性土中水及其渗透性n概述 n土的渗透性n土的毛细性重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象15.1 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渗透渗透自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的现象现象 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 2研究渗流主要解决两类问题研究渗流主要解决两类问题 渗流量计算问题：渗流量计算问题：深基坑开挖排水深基坑开挖排水问题问题 渗

2、流渗流稳稳定与渗流控制定与渗流控制问题问题：产产生渗透生渗透变变形，形，甚至渗透破坏甚至渗透破坏，如，如道路道路边边坡破坏、堤坡破坏、堤坝坝失失稳稳、地面隆起等地面隆起等 35.2 土的渗透性土的渗透性 n一、达西定律一、达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗透性进行研究的渗透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比与试样的水力梯度成正比渗透试验渗透试验2 2个个播放播放达西定律达西定律 V=Kh/L=KiV=Kh/L=KiKK渗透系数，渗透系数，cm/s cm/s ii水力梯度，即沿渗流方水力梯度，即沿渗流方向单位距离

3、的水头损失向单位距离的水头损失 hh2h14讨论：讨论：1 1）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土；）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土；2 2）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高 i io o计算。计算。V=KV=K（i-ii-io o）。）。密实的粘土，需要克密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透;同时同时渗透系数与水力坡降渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定的规律还偏离达西定律而呈非线性关系律而呈非线性关系 起始水起始水力坡降力坡降i0v=kiivO O砂土砂土0iv密

4、实粘土密实粘土虚直线虚直线简化简化砾土砾土5二二 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法时间时间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整个试验过程中水头保持不变，适用于透过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（水性大砂土（k10-3cm/sk10-3cm/s）。）。hh2h1:测定渗透系数方法测定渗透系数方法动漫动漫试验室测定试验室测定:常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 现场抽水试验现场抽水试验6 2 2变变水水头头渗渗透透试试验验整整个个试试验验过过程程水水头头随随时时间间变化变化 适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘

5、性土。7截面截面 面积面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在，在时段时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 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=kAdth/L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=kAdth/L 分离变量分离变量 积分得积分得 83 3现场抽水试验现场抽水试验室内试验时不易取得原状土样，室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时图2-6 现场抽水试验非

6、承压完整井还有其它几种形式？9水平向渗流时水平向渗流时Kh I=I1=I2 q=q1+q2 F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2 Kh=K=Ki ih hi i/h/hi i 受渗透系数最大的土层控制受渗透系数最大的土层控制 竖直向渗流时竖直向渗流时 K KV V q=q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 K KV V=K=Ki ih hi i/(h/(hi i/K/KI I)受渗透系数最小的土层控制受渗透系数最小的土层控制h1h2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h24成层土的渗透系数成层土的渗透系数10（1 1）土的矿物成分：）土的矿物成分：蒙脱石含量，或有机质，则K（

7、2 2）粒度成分：）粒度成分：粗，浑圆均匀则K（3 3）结合水膜厚度）结合水膜厚度,K；厚度，K（4 4）土的结构构造：）土的结构构造：黄土KVKn，夹砂粘土KVKn（5 5）水的沾滞度）水的沾滞度t t：温度T，kT应进行修正，以20水 为标准渗透系数值K20:K20=kTT/205 5 影响渗透性的因素影响渗透性的因素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 （6）土中气体：）土中气体：含密闭气泡，K11n【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为，渗透

8、仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为，试验开始时的水位差为160cm，经时段，经时段15分钟后，观察得水位差为分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为，试验时的水温为30，试求试样的渗透系数，试求试样的渗透系数 【解答】解答】已知试样截面积已知试样截面积A=30cm，渗径长度，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积，细玻璃管的内截面积 h1=160cm，h2=52cm，t=900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 12三三 渗流力及流砂与管涌现象渗流力及流砂与管涌现象 1.渗渗流力流力GD水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称

9、为渗流力，也称动水力为渗流力，也称动水力 h2h1h21L水流流经这段水流流经这段土体，受到土土体，受到土颗粒的阻力，颗粒的阻力，阻力引起的水阻力引起的水头损失为头损失为h土粒对水流的阻力应为土粒对水流的阻力应为 水柱隔离体平衡条件水柱隔离体平衡条件 水柱重力水柱重力 土颗粒对水总的阻力土颗粒对水总的阻力 渗渗透透力力是是一一种种体体积积力力，其其大大小小与与水水力力坡坡降降成成正正比比，作作用用方方向向与与渗渗流流方方向一致，单位为向一致，单位为kN/m3（矢量）132.流砂、管涌与临界水头梯度流砂、管涌与临界水头梯度n流砂流砂当向上的当向上的G GD D与土的浮重度相等时，即与土的浮重度相

10、等时，即G GD D=I=I=satsat-，这这时时土土颗颗间间的的压压力力等等于于零零，土土颗颗粒粒将将处处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。临界水力坡降临界水力坡降(梯度梯度)土在水下的浮重度土在水下的浮重度G G为为，当向上的渗流力，当向上的渗流力G GD D与土的浮重度相等时，其水力坡降即为与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降临界水力坡降工程中，将土的临界水力坡工程中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降，作为允许水力坡降i。GGD或或14n管涌管涌水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒

11、在动水作用水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。讨论：讨论：1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu，则Icr，图2-10图2-10 流砂引起破坏示例a)基坑因流砂失稳 b)河堤覆盖层下流砂涌出a)b)15图2-11 例2-1围护结构坑底hw【解】发生发生流砂的条件为流砂的条件为临界水头梯度临界水头梯度因维护结构进入坑底因维护结构进入

12、坑底4m，故，故水渗流路径长水渗流路径长:两侧水头差为两侧水头差为故承压水位上升后的高度故承压水位上升后的高度m【例2-1】某某基基坑坑开开挖挖深深8m8m（见见图图2-112-11），地地基基中中存存在在粉粉土土层层，其其饱饱和和重重度度为为20kN/m320kN/m3，在在一一场场爆爆雨雨后后，坑坑底底发发生生了了向向上上涌涌砂砂的的流流砂砂现现象象，经经调调查查发发现现粉粉土土层层中中存存在在承承压压水水，试试估估算这时承压水头为多高？算这时承压水头为多高？16流砂现象的防治原则是：流砂现象的防治原则是：减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低

13、地下水位或水下挖掘；水法降低地下水位或水下挖掘；增长渗流路径，如打板桩；增长渗流路径，如打板桩；钢板桩钢板桩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17在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压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；重以平衡渗流力；土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等 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设置反滤层18一一 土层中的毛细水土层中的毛细水土中水的运动形式：5种土

14、的毛细现象指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。毛细现象对工程危害 54 土的毛细性土的毛细性hmax 二二 毛细水上升高度及毛细压力毛细水上升高度及毛细压力上举力：P=S2rcos=2rcos重力：G=Wr2hmax湿润角可取=0 则 hmax=4/(d)海森公式：hc=C/(ed10)19土中毛细现象土中毛细现象 上升高度上升高度:r2hcw=2rTcos 3）毛细水）毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土

15、粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象:水柱水柱20 毛细水毛细水是受毛细管作用控制的水，毛管是受毛细管作用控制的水，毛管直径愈细上升直径愈细上升 高度愈高。在常温下毛细上升高度愈高。在常温下毛细上升高度高度hchc与毛管半径与毛管半径r r 有以下关系：有以下关系：hc=15/r 当当r=0.1mmr=0.1mm时，时，hc=150mmhc=150mm，这与砂土，这与砂土(粒径为粒径为0.50.5lmm)lmm)中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约中的情况大致相当。粘土的孔隙直径约为为0.1m0.1m，按上式计算毛细上升高度将达，按上式计算毛细上升高度将达150m150m。3）毛细水）毛

16、细水21对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角毛细边角水水,假凝聚力假凝聚力毛细压力毛细压力 非饱和土中毛细张力影响非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜 3）毛细水）毛细水22n作业作业P19 2-9、2-10 23n如如图图2-14所所示示，在在5.0m厚厚的的粘粘土土层层下下有有一一砂砂土土层层厚厚6.0m，其其下下为为不不透透水水基基岩岩。为为测测定定该该砂砂土土的的渗渗透透系系数数，打打一一钻钻孔孔到到基基岩岩顶顶面面并并以以1.510-2 m3/s的的速速率率从从孔孔中中抽抽水水。在在距距抽抽水水孔孔15m和和30m处处各各打打一一观观测测孔孔穿穿过过粘粘土土层层进进入入砂砂土土层层，测测得得孔孔内内稳稳定定水水位位分分别别在在地地面面以以下下3.0m和和2.5m，试试求求该该砂砂土土的的渗渗透透系数。（答案：系数。（答案：4.0110-4 m/s）n解：由题意可知：r1=15m，r2=30m，h1=0.3m，h2=0.45m，代入式2-9得：24