土力学与地基基础第3章_地球土中的渗流问题课件

第3章 地球土中的渗流问题问题 3.1 地球土中的渗流特征 地球上的土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空间是相互连通的。饱和土中水 会充满整个孔隙，若土中不同位置存在水位差则土中水就会在水位能作用下从高水 位（即能量高）位置向低水位（即能量低）位置流动，液体（比如土中水）从物质 微孔（如土体孔隙）中透过的现象被称为渗透，土体具有被液体（比如土中水）透 过的性质被称为土的渗透性或透水性，液体（比如地下水、地下石油）在土孔隙或 其他透水性介质（比如水工建筑物）中的流动问题 被称为渗流。非饱和土的渗透性 较复杂、工程实用性较小，其规律尚不清楚而有待进一步的研究。目前，土的渗透 性、土的强度、土的变形特性是土力学的几个核心问题，土的强度、变形、渗流是 相互关联、相互影响的，土木工程领域内的许多工程实践都与土的渗透性密切相关 ，土的渗透性研究主要应解决渗流量、渗透破坏、渗流控制等3方面问题。当代许多 基坑失稳事故很多都是因渗透破坏而引发。土木工程与渗流控制有关的问题也很多 ，当渗流量或渗透变形不满足设计要求时就应研究和采取工程措施进行渗流控制。 不难理解，水在土体中的渗流一方面会引起水头损失（或基坑积水）并影响工程效 益和进度；另一方面会引起土体变形而改变构筑物或地基的稳定条件并直接影响工 程安全，研究土的渗透规律及其与工程的关系具有重要意义。 3.2 地球土体渗流的基本理论论 3.2.1地球土的层层流渗透定律 由于地球土体中孔隙一般都非常微小且很曲折，故水在土体流动过程中粘滞阻力会 很大、流速也会非常缓慢，故多数情况下其流动状态表现为层 流特征（即相邻两个 水分子运动的轨迹相互平行而不混流），法国科学家达西（H.Darcy）1855利用图3- 2-1所示的试验装置对均匀砂进行了大量渗透试验得出了层流条件下土中水渗透速 度与能量（水头）损失之间关系（即土的渗流规律，也称达西定律）。 达西在对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验中发现，单位时间内 的渗出水量q与水力梯度i和圆筒断面积A成正比（且与土的透水性质有关），即q （h/L）A，将其写成等式则有 Q=ikA （3-2-1） 或 v=q/A=ik （3-2-2） 式（3-2-1）、（3-2-2）中，q为单位渗水量、单位为cm3/s；v为断面平均渗透速度 、单位为cm/s；i为水力梯度（表示单位渗流长度上的水头损失或称水力坡降，i=v/k ）；k为反映土的透水性的比例系数（称为土的渗透系数。k相当于水力梯度i=1时的 渗透速度，故其量纲与渗透速度相同也为cm/s）。 式（3-2-1）或式（3-2-2）即为达西定律表达式。 3.2.2土的渗透试验与渗透系数 前述渗透系数k是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个 基本参数，k只能通过试验直接测定，目前k的测定方法主要有室内渗透试验和现 场试验2大类。 室内测定土的渗透系数k的仪器和方法较多，但试验原理不外乎2种（即常水头法 和变水头法）。粘性土由于渗透系数很小，故流经试样的水量很少而难以直接准 确量测，为此，应采用变水头法。 现场测定渗透系数k常采用现场井孔抽水试验或井孔注水试验方法，均质粗粒土层 用现场抽水试验测出的k值往往要比室内试验更为可靠。 天然沉积土大多是由渗透性不同的土层所组成的，具有宏观上的非均质性。对平 面问题以及与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度 已知时可容易地求出整个土层以及与层面平行和垂直的平均渗透系数作为进行渗 流计算的依据。 3.3二维渗流与流网 本书3.2介绍的渗流属简单边界条件下的一维渗流并可用达西定律进行渗流 计算。实际工程中边界条件常常非常复杂（比如围堰工程中的渗流，其水流 形态往往是二维或三维的），其介质内的流动特性也逐点不同而不能再视其 为一维渗流，此时的达西定律需要采用微分形式，求解也应考虑边界条件。 二维渗流的连续条件 板桩墙围堰的流网绘制 3.3.1二维渗流及其渗流方程 当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时这种渗流即为稳定渗流。 假定水体不可压缩，根据水流连续原理，单位时间流入和流出微分单元的水量 应相等，即 式（3-3-2）就是著名的拉普拉斯方程（也是平面稳定渗流的基本方程）。只要求 解一定边界条件下的渗流方程即可得到该条件下的渗流场。 3.3.2流网的特征及绘制方法 式（3-3-2）表明渗流场内任一点水头是其坐标的函数，只要知道了水头分布即 可确定渗流场的其它特征。目前求解拉普拉斯方程（即式（3-3-2）一般有4类 方法，即数学解析法、数值解法、电模拟法、图解法。图解法以其简便、快速、 实用性强的特点得以在工程中广泛应用，所谓图解法就是用绘制流网的方法求解 拉普拉斯方程的近似解。 （1）流网的基本特征 流网是由流线和等势线组成的曲线正交网格。稳定渗流场中的流线表示水质点的 流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势 能或水头的等值线。 （3-3-2） （2）流网的绘制方法 见图3-3-2，流网绘制步骤主要有以下4步，即按一定比例绘出结构物和土层的剖面 图；判定边界条件（图中 和 为等势线（透水面）；abc、 为流线（不透水面） ；先试绘若干条流线（应相互平行、不交叉且为缓和曲线。流线应与进水面、出水 面（等势线 和 ）正交且应与不透水面（流线 ）接近平行。流线应不交叉）；加绘 等势线（须与流线正交且每个渗流区的形状应接近“方块”）。上述4步过程不可能 一次就绘就，而需经反复修改调整（直到满足上述条件为止）。根据流网可以直观 地获得渗流特性的总体轮廓并可定量求得渗流场中各点的水头、水力梯度、渗透速 度和渗流量。 （3）正方形流网的绘制原理 由于流线和等势线正交，因此，把网格在局部绘制成正方形是很方便的，这里所谓 的“正方形”是指图3-3-3所示的那种与圆外切的方块形。 正方形流网的性质 图3-3-3 板桩下水的渗流 （4）正方形流网的绘制过程 图3-3-3为在渗透性地基（砂砾层）中打入隔水板桩的情况。首先需要知道全水头的边界 条件。很明显图中的mb面、jn面分别都是一条等势线（即，如果在此处设测压 管则容易 理解其压力水头分别是H1，H2。如果设mn面是基准面，则该面上的位置水头就是零，所 以，这时压 力水头和位置水头的和即为总水头，亦即总水头在mb面是H1、在jn面是H2） 。因为ff面在均质各项同性的渗透地基中是左右对称的对称面，所以，ff面的全水头是 mb面和jn面全水头的平均值（H1+H2）/2。ff面也成为其中的一条等势线。另外，如果 mn面以下是不透水层、mn面是一条流线，若板桩上没有洞、不透水，则沿板桩的bfj面 也是一条流线。以上即确定了等势线和流线的边界条件，其板桩两侧的流网是左右对称 的。然后即可根据这种情况绘制流网图，在绘制过程中，流线与等势线是正交的、形成 的网目是正方形的（也就是遵循各网目与圆外接的原则边绘边 改）。若流线的间隔画的 小则等势线的间隔也必然要画小（间隔越小精度越高），这是因为流线与等势线形成的 网格是正方形的。然而，在板桩的底部附近和距上下游充分远的地方是画不出正方形（ 这是与数学上的不同点）。Q=qNfL=khNfL=k（h1h2）（Nf/Nd）L。 （5）正方形流网的绘制示例 在图3-3-5中，H1=11m、H2=2m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是510- 4cm/sec，土的比重Gs=2.69，孔隙率n=39%。要求确定图中A、B两点处的孔隙水压力以 及每1m板桩宽的透水量。 流网绘制过程如下：在图3-3-5中，流网网格Nd=10、Nf=5，总水头H1H2=112=9m， 则每个网格的水头损失h=9/10=0.9m。A、B两点的孔隙水压力分别为uA=（5+110.9 ）9.8=148.0kN/m2；uB=（5+110.99）=77.4kN/m2。已知渗透系数k=510- 4cm/sec=0.432m/day，根据公式（3-3-5）流网可求得透水量Q=k（H1H2）（Nf/Nd） L=0.4329（5/10）1=1.944m3/day 图3-3-5板桩下的流网绘制 3.4 渗流导导致的工程问题问题 渗流引起的渗透破坏问题主要有2大类，即渗流力作用（渗流力作用可使 土体颗粒流失或局部土体产生移动而导致土体变形甚至失稳）和渗流作用 （渗流作用可使水压力或浮力发生变化而导致土体或结构物失稳），前者 主要表现为流砂和管涌，后者则表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物整体 失稳。另外，渗流还会对土坡的稳定产生不利影响。 3.4.1渗流力 地下水在土体中流动时会由于受到土粒的阻力而引起水头损失，根据作用 力与反作用力原理，水流经过时必定也会对土颗粒施加一种渗流作用力。 为研究方便，人们将单位体积土颗粒所受到的渗流作用力称为渗流力或动 水压力。 J=J=iw 渗流力J是一种体积力（量纲与w相同），渗流力的大小和水力梯度成正比 （方向与渗流方向一致）。 3.4.2流砂或流土现象 土体中的渗流力增大到某一数值而导致向上的渗流力克服了向下的重力时土体 就要发生浮起（或受到破坏），人们将这种在向上渗流力作用下粒间有效应力为 零时土体颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象（或流土现象）。流砂现象 多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中，其发生一般是突发性的、对 工程危害极大。 流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小，还与土颗粒级配、密度及透水性等条 件密切相关。人们将使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr， 显然，渗流力J=iw等于土的浮重度时的土将处于产生流砂的临界状态，故临界 水力梯度icr为 （3-4-2） 式（3-4-2）显示临界水力梯度与土性密切相关，研究表明，土的不均匀系数Cu越 大icr值越小；土中细颗粒含量越高icr值越大；土的渗透系数越大则临界水力梯度icr 越低。 流砂现象的防治原则有4点，即减小或消除水头差（比如采取基坑外的井点降水 法降低地下水位，或采取水下挖掘）；增长渗流路径（比如打板桩）；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（比如采用冻结 法、注浆法、等）。 3.4.3管涌现象和潜蚀作用 在渗透水流作用下土中的细颗粒会在粗颗粒形成的孔隙中移动（以至流失），随 着土孔隙的不断扩大其渗透速度会不断增加，较粗的颗粒也将相继被水流逐渐带 走并最终导致土体内形成贯通的渗流管道、造成土体塌陷，这种现象即为管涌。 管涌破坏一般有个时间发展的过程，是一种渐进性的破坏。自然界在一定条件下 同样会发生上述渗透破坏作用，为了与人类工程活动所引起的管涌相区别，人们 将其称之为潜蚀。潜蚀作用有机械的和化学的两种，机械潜蚀是指渗流的机械力 将细土粒冲走而形成洞穴，化学潜蚀则是指水流溶解了土中的易溶盐（或胶结物 ）而使土变松散并导致细土粒被水冲走而形成洞穴，以上两种作用往往是同时存 在的。土是否发生管涌首先取决于土的性质（管涌多发生在砂性土中，其特征是 颗粒大小差别较大且往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通），无粘性土产 生管涌必须具备一定的几何条件和水力条件，几何条件是土