土力学课件土的渗透性和渗流.ppt

第3章 土的渗透性和渗流,土的渗透性及渗流,土的渗透性与土的强度、变形特性一起，是土力学中的几个重要课题 土的渗透性研究的三个主要方面问题及其与工程的关系 研究土的渗透性规律及其与工程的关系具有重要意义，土的渗透性是反映土的孔隙性规律基本内容之一 详细介绍土的渗透性及渗流规律、土中二维渗流及流网、再介绍渗透破坏及渗流控制,本章要求,掌握土的层流渗透定律及渗透性指标； 熟悉渗透性指标的测定方法及影响因素，渗流时渗水量的计算，渗透破坏与渗流控制问题； 了解土中二维渗流及流网的概念和应用,第3章 土的渗透性及渗流,土的渗透性、渗透系数 土中二维渗流及流网 渗透破坏与控制,主要内容,第3章 土的渗透性及渗流,达西定律 渗透系数及其确定方法 熟悉流网 渗透力与渗透变形 渗流工程问题与处理措施,重点掌握内容,3.1概述,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,隧道开挖时，地下水向隧道内流动,在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透,相互关联,相互影响,渗透,在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象,渗透性,土体具有被液体透过的性质,土的强度,土的变形,土的渗流,渗透性研究的三个方面,渗流量问题,渗透破坏问题,渗流控制问题,3.2 土的渗透性(达西定律),3.2.2土的层流渗透定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,结论： 水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,1、达西定律,i=h/L,k 渗透系数 cm/s,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,v=ki,v=k i,q=kAi,k 是反映土体透水能力大小的综合性指标,k越 大土的透水能力越强,i= h/L,渗透定律,2、达西定律适用范围与起始水力坡降,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,起始水力坡降,虚直线简化,讨论,砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合 达西定律，-i 为线性关系,粗粒土： i 小、 大水流为层流，渗透规律符合 达西定律，-i 为线性关系 i 大、 大水流为紊流，渗透规律不符合 达西定律，-i 为非线性关系,3.2.3 渗透试验与渗透系数,1、渗透试验（室内）,时间t内流出的水量,常水头试验整个试验过程中水头保持不变 适用于透水性大（k10-3cm/s） 的土，例如砂土。,Q=qt,k=QL/A ht,2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化,截面面积a,任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量,dQ=adh,在时段dt内流经试样的水量,dQ=kiAdt=kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,分离变量 积分,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,3、影响渗透系数的主要因素,(1)土的粒度成分,土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，,(2)土的密实度,土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小 土愈密实渗透系数愈小,土的饱和度愈低，渗透系数愈小,(4)土的结构,扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小,(3)土的饱和度,(5)水的温度(水的动力粘滞系数),水温愈高，水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大,(6)土的构造,水平方向的h垂直方向v,T、20分别为T和20时水的动力粘滞系数，可查表,4、渗透系数k的经验确定方法,洁净不含细粒土的松砂 k=1.0-1.5(d10)2,黏性土 k=C3(en/1+e),较密实、击实砂土 k=0.35(d15)2,（1）与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数),通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和,5、成层土的等效渗透系数,达西定律,整个土层与层面平行的渗透系数,平均渗透系数,(2)垂直渗透系数,根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为i,总水头损失等于各层水头损失之和,垂直渗透系数,整个土层与层面垂直的渗透系数,=,n,H,i=1,Kiy,Hi,Kx,近似,由最不透水(最小)的一层渗透系数和厚度控制,由最透水(最大)的一层渗透系数和厚度控制,=,H,Kiy,n,i=1,Ky,近似,水平向Kx 垂直向Ky,成层土:,Hi,四、例题分析,例 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30，试求试样的渗透系数,解,已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积,h1=160cm，h2=52cm，t=900s,试样在30时的渗透系数,3.3土中二维渗流及流网,3.3.1二维渗流方程,2h,拉普拉斯方程(平面稳定渗流的基本方程式),x2,2h,z2,+,=0,a,不透水层,a,b,b,s,s,c,H,E,z1,h1,zE,3.3.2流网特征与绘制,数学解析法,电模拟法,数值法,拉普拉斯方程表明,渗流场内任意点水头是坐标位置的函数,h=f(x,z),求解拉氏方程四种方法:,图解法,知道了水头分布,即可确定渗流场的其他特征,水头梯度i,渗透压力J,渗流场渗流量q,孔隙水压力u,流速v,1.流网的特征,等势线 渗流场中势能或水头的等值线,流网,流线 水质点的流动路线,流线,等势线,组成的曲线正交网格,a,不透水层,a,b,b,s,s,c,H,E,z1,h1,zE,流线与等势线互相正交,流网的特征:,流线与等势线构成的各个 网格的长宽比为常数 1,各个流槽的渗流量相等,相邻等势线之间的水头损失相等,2、流网的绘制,按一定比例绘出结构物和土层的剖面图,先试绘若干条流线 应相互平行,不 交叉且是缓和曲线,流线应与进水面、出 水面正交,并与不透水面接近平行,不交叉,判定边界条件 透水面 等势线 不透水面 流线,绘等势线 须与流线正交,且 每个渗流区的形状接近“方块”,a,不透水层,a,b,b,s,s,c,H,E,z1,h1,zE,流线=4 等势线=10 Nd=10-1,Nf=4-1,10m,1.5m,5m,2.6m,1m,1.20m,zE,E,A,B,O,O,3、流网的工程应用,总水头差 H,h=,相临等势线之间的水头损失 h,H,N d,等势线条数n=10，流线条数m=4,Nd=n-1=10-1,（1）渗流量的计算,每个流槽的渗流量 q,q=Aki=（b 1） k = k,当b/L=1，总渗流量q （m3/d）,h,L,Hb,NdL,q=k H,Nf,Nd,Nf 流槽的数量= 流线数-1=m-1,渗流场中一点的孔隙水压力u等于该点的测压管水柱高H与水的重度的乘积,u=H,渗流场中某点测压管水柱高H为,H=h1 + Z1 - ZE -（ni - 1） h,ni 第i根等势线数,孔隙水压力u,上游水位高,E点的坐标,E水头损失,a,不透水层,a,b,b,s,s,c,H,E,z1,h1,zE,H=h1 + Z1 - ZE -（ni - 1） h,3.4 渗透破坏与控制,3.4.1渗流(透)力,渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,水,阻力,渗透力,土,拖曳力,二者大小相等方向相反,渗流力,渗流力是一种体积力 单位为kN/m3,J=i,作用方向：与渗流方向一致（流线方向）,大小与水力梯度成正比,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,临界水力梯度使土体开始发生渗透变形的水力梯度,当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度,或,在工程计算中，将土的临界水力梯度除以安全系数Fs(23)，作为允许水力梯度i。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力梯度控制在允许梯度i内,受到水的浮力作用为浮重度 ,临界水力坡降与土性密切相关,土Cu愈大，icr愈小,渗透系数k愈大， icr愈低,土中细粒含量愈高，icr增大,3.4.2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，导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）,1.流土在渗流作用下，粒间力有效应力为零时,或某一范围内土颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。一般是突发性的破坏,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、淤泥等较易发生流土破坏,2.管涌在渗流作用下，土中的细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，随着土孔隙不断扩大，发生移动并被带出的现象， 渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷。,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,潜蚀作用：,易发生流砂的土,饱和的,颗粒级配均匀,细砂,粉砂,粉土层,机械潜蚀流动的机械力将细土粒带走而形成洞穴,潜蚀作用水流溶解了土中易溶盐，胶结物使土 变松散，土体被软化、弱化，细土粒被水冲走， 形成洞穴,3.流土判别,上海地区易发生流砂的土层特征,粘粒含量小于10%,土的不均匀系数Cu5,粉粒、砂粒含量大于75%,土的含水量大于30%,粘土夹有砂层，其厚度大于25cm,土的孔隙率大于43%（e大于0.75）,i实际icr,发生流砂,国外资料,e0.75-0.8,有效粒径d100.1mm,Cu5细砂,易发生流砂,4.管涌的判别,无粘性土产生管涌必须具备两个条件,发生管涌土的特征,颗粒大小差别大,缺失某中间粒径,细砂孔隙直径大且相互连通,几何条件,水力条件,碎石铺盖,黏土心墙,碎石,砂粒,上游填土,下游填石块,上堵下疏,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Cu10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,对Cu10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30%）时，由于阻力 较小，只要较小的水力坡降，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（此时细粒含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,三、例题分析,例 某土坝地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流 出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏,解,临界水力坡降,由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,允许水力坡降,3.5 渗流工程问题与处理措施,渗流工程问题,1.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，并对建筑物基础产生浮托力,2.地下水的潜蚀作用,在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中,3.流砂,流砂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。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,4.基坑突涌,当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为 基坑突涌,防渗处理措施,1.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“上堵下疏”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，防止渗透变形,垂直截渗,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,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,设置反滤层,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。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,排水减压,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,2.基坑开挖防渗措施,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,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,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,2019/6/22,3.1 概述,主要内容：土的渗透性和渗透规律 研究对象：饱和土体,“土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的”,土的渗透性问题 土的固结问题 土的毛细现象,2019/6/22,河滩路堤下的渗流,3.2 土的渗透性和渗流定律 3.2.1 渗透性 土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象。,渗流模型基本假定： 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；,图3-1 渗流模型,认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为流体所充满。,图3-1 渗流模型,相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。,同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；,任一断面上，渗流模型压力与真实渗流压力分布相同；,1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为： v=q/A 真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为： v0=q/A 于是 v/v0=A/A=n “模型的平均流速要小于真实流速”,能量是用水头来表示， Bernoullis Equation：,2.水头,如果忽略流速的影响，则,3.水头差(A点与B点),水力梯度:单位流程总水头的变化,4.水力坡降,水头的大小随选取的基准面不同而不同；,注意：,最关心的不是水头而是水头差；,水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。,例3-1,求：（1）截面的位置水头、压力水头和总水头 （2）截面之间的水头损失和水力梯度,解：,总水头变化：,水力梯度：,2019/6/22,法国学者达西(Darcy),砂土实验结果（1852-1855） 渗透速度与水头梯度成正比： v=ki 或 q=kiA 式中：v渗透速度(m/s)； i水头梯度； k渗透系数(m/s)； q渗透流量(m3/s) A截面积。,图3-4 Darcy渗透定律,3.2.2 Darcy渗透定律,2019/6/22,例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。,图3-4 Darcy渗透定律,解 水头损失之和等于总水头损失： h1+h2=h=40cm 根据水力坡降的概念，有 i2=h2/L2=0.5， 而L2=20cm 得 h2=10cm h1=h-h2=40-10=30cm,2019/6/22,解 土样1的水力坡降 i1=h1/L1=1.5 水在土样1和土样2中渗流时的速度相同: v=k1i1=k2i2 得 k2=0.09cm/s。,图3-4 Darcy渗透定律,例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。,达西定律只适用于层流 适用于中砂、细砂、粉砂等 粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。,图3-5 水力坡度与渗流速度关系,3.2.3 Darcy定律适用范围,粘土不完全符合达西定律，需进行修正,图3-6 砂土和粘土的渗透规律,粘土中存在起始水头梯度i0 修正后：v=k(i-i0) 图3-6绘出砂土与粘土的比较。,关于起始水力坡降是否存在也有不同观点。,3.2.4 渗透系数的测定,2019/6/22,1.常水头渗透试验,图3-7 常水头渗透试验,则得,故渗透系数为,截面积为A，流径L； 压力水头维持不变； 试验开始时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得a、b两点水头差h。,2019/6/22,常水头渗透试验装置,2.变水头渗透试验,图3-8 变水头渗透试验,土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0 经过时间t后降为h1 时间dt内水头降低dh，水量为： dQ=-adh 另外 dQ=kiAdt=k(h/L)Adt,流入和流出相等： -adh= k(h/L)Adt,由此求得渗透系数：,整理并积分得,即,2019/6/22,变水头渗透试验装置,3.现场抽水试验,图3-9 抽水试验,粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； 小土样不能反映天然土层的结构性。,现场方法：野外注水试验和野外抽水试验等,抽水量为Q 观测孔距离分别为rl和r2 ，水位高度h1和h2 r处水面高度h，过水断面A2rh,图3-9 抽水试验,图3-9 抽水试验,即：,两边积分：,故渗透系数为,分析表3-1渗透系数值:,可见：不同土类的渗透系数值差异很大,表3-1 渗透系数参考值,渗透系数的测定十分重要,（1）土的粒度成分及矿物成分。 （2）结合水膜厚度。 （3）土的结构构造。 （4）水的粘滞度。,4. 影响土的渗透性的因素,3.3 渗透力与渗透变形,一、渗透力和临界水力坡降,1.渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反,渗流作用于单位土体的力,说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大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,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,结论： 渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； 是一种体积力 渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。,2.临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降,当土颗粒的浮重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降,或,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降i。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i内,3.3.2 土的渗透变形和防治措施,流土现象:,当土颗粒间的接触压力为零，土颗粒处于悬浮状态而失去稳定。,向上渗流,管涌现象:,土中的一些细小颗粒在渗透力作用下，通过粗颗粒的孔隙被水流带走。,图3-12 流土示意图,比较和区别:,流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部,3.流土与管涌的判别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,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Cu10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,对Cu10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30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，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（此时细料含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,三、例题分析,【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏,【解答】,临界水力坡降,由