lxdjjc3《土力学与地基基础》第三章土的渗透性与渗流.ppt

土力学与地基基础土力学与地基基础 第三章 土的渗透性与渗流 l本章将主要讨论水在土体中的渗透性及 渗透规律，以及渗透力及渗透变形等问 题。 l通过本章学习，掌握土的渗透性（达西 定律），掌握水头、测管水头、水力坡 降的概念，熟悉渗透系数的测定方法， 特别是层状地基的等效渗透系数的确定 。学会应用二维渗流流网确定测管水头 、孔隙水压力、水力坡降、渗透速度和 渗透流量。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和 气体三相组成的，而土中的孔隙具有连 续的性质，当土作为水土建筑物的地基 或直接把它用作水土建筑物的材料时， 水就会在水头差作用下从水位较高的一 侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧 。渗透是水头差作用下，水透过土体孔 隙的现象。土允许水透过的性能称为土 的渗透性。 土力学与地基基础土力学与地基基础 第一节 土的渗透定律 l一、渗流中的总水头与水力坡降 l前提：流体是连续介质，流体是不可压缩的，流 体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该 元流。 l断面积分别为W1和 W2、流速分别为V1和V2断 面处： 土力学与地基基础土力学与地基基础 l上式表明：通过稳定总流任意过水断面的流 量相等；或稳定总流过水断面平均流速与过 水断面面积成反比。 l水头：实际上就是单位重量水体所具有的能 量。 l饱和土体空隙中的渗透水流 ，用水头的概念 来研究水体流动中的位能和动能。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738 年瑞士数学家应用动能定理推导出来的）。 l饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利 方程，并用水头的概念来研究水体流动中 l的位能和动能。 土力学与地基基础土力学与地基基础 水在土中渗流示意图 液流中一点 的总水头h， 可以用位置 水头Z，压力 水头u/rw和 流速水头 v2/2g之和表 示，即： 水头：实际上就是单位重量水 体所具有的能量。 土力学与地基基础土力学与地基基础 lA,B两点的总水头可分别表示为： l 土力学与地基基础土力学与地基基础 二、渗透试验与达西定律 l1. 1956年，达西利用试验装置，对砂土的渗 流性进行了研究 。下图：达西渗透试验装置 土力学与地基基础土力学与地基基础 l研究中发现水在土中的渗流速度与试样两端面间的水头差 成正比，而与渗流长度成反比，于是他把渗流速度表示为 ： l这就是著名的达西定律， l式中v：表示断面平均渗透速度，单位：mm/s lk：渗透系数，（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时 的渗透速度。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l达西定律说明： l（1）在层流状态的渗流中，渗流速度v与 水力坡降的一次方成正比，并与土的性质 有关。或砂土的渗透速度与水力坡降呈线 性关系。 l（2）但对于密实的粘土，由于吸着水具 有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降 达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力 以后，才能发生渗透。将一开始渗透时的 水力坡降称为粘性土的起始水力坡降i。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水 力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降 的规律还偏离达西定律而呈线性关系。 l 式中： 指密实粘土的起始水力坡降。 砂土和粘性土的渗透规律 土力学与地基基础土力学与地基基础 l试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石， 卵石），在较大的水力坡降下，水在土 中的流动即进入紊流状态，渗透速度与 水力坡降呈非线性关系，此时达西定律 不能适用。 土力学与地基基础土力学与地基基础 卵砾石等粗颗粒的渗流 l对于粗颗粒的砾、卵 石土，只有在小的水 力坡降下，渗透速度 与水力坡降才呈直线 关系，而在较大的水 力坡降下，水在土中 的流动进入紊流状态 ，渗透速度与水力坡 降呈非线性关系，此 时达西定律同样不能 适应，可用下式表示 土力学与地基基础土力学与地基基础 l用达西定律计算出的 渗透速度不是水在土 中的渗透速度，而是 一个假想的平均速度 ，因为它假定水在土 中的渗透是通过整个 土体截面进行的，而 实际上，渗透水不仅 仅通过土体中的孔隙 流动，因此，水在土 中的实际平均流速要 比用达西定律所求得 的数值大得多 土力学与地基基础土力学与地基基础 相关考题 l（1）土中水的渗透速度即为其实际流动速度 。（ ） l1）什么是达西定律？写出其表达式？说明其 中字符的含义。 l（7）达西渗透定律的适用条件是什么？砂土 、粗粒土（指卵石、砾石等）、粘性土的渗 透定律有何不同，绘图示意。用达西定律计 算出的渗透速度是不是孔隙水在水中的真实 的渗透流速，它们在物理概念上有何区别？ 土力学与地基基础土力学与地基基础 第二节 渗透系数及其确定方法 l（一）、渗透系数的测定和影响因素 渗 透 系 数 的 测 定 方 法 实验室测定法 现场测定法 常水头测定法 变水头试验法 适用于透水性大 的砂性土 适用于透水性小的 粘质土和枌质土 实测流速法 抽水法 注水法 色素法、电解质法、 食盐法 降低水位法：平衡法， 不平衡法、水位恢复法 土力学与地基基础土力学与地基基础 抽水试验 (补充） l抽水试验是工程地质勘察中查明建筑场 地的地层渗透性，测定有关水文地质参 数常用的方法之一。一般钻孔或探井简 易抽水，可用于粗略估计弱透水层的渗 透系数；不带观测孔的抽水可初步判断 含水层的渗透系数；而要较准确地求得 含水层的各种参数，需要带观测孔的抽 水试验。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l抽水孔(井)位置应根据试验的目的，结合场地水文地 质条件、地形地貌条件等，布置在有代表性的地段 。观测孔应围绕抽水孔布置12排，首先应布置在与 地下水流向相垂直的方向上；当布置两排时，另一 排应布置在平行地下水流向的方向上(图8-16)。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l计算参透系数k l对于均质等厚、无限边界的完整井，当 测得井中水位降深Sw和影响半径R时 l对承压水： l潜水： 土力学与地基基础土力学与地基基础 （二）影响渗透系数的因素 影 响 渗 透 系 数 的 因 素 土的粒度成分和 矿物成分的影响 孔隙比对渗透系数 的影响 土的结构构造的影响 结合水膜厚度的影响 土中气体的影响 土的颗粒大小，形状及级配 ，影响土中孔隙大小及形状， 因而影响渗透性。 孔隙比的影响，主要决定于 土体中的孔隙体积，而孔隙 体积又决定于孔隙的直径大 小，决定于土粒大小和级配。 天然土层通常不是各向同性的 竖直方向的渗透系数与水平方 向的渗透系数相差很大。 当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞 水的渗流，从而降低渗透性。 粘性土中若土粒的结合水膜较厚时， 会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。 土力学与地基基础土力学与地基基础 土力学与地基基础土力学与地基基础 l二、层状地基的等效渗透系数 l天然沉积土往往是由渗透性不同的土层所组 l成。其中以与土层层面平行和垂直的简单渗流 情况最典型。 l水平渗流情况： l知地基内各层土的渗透系数分别为k1，k2， k3,kn，厚度分别为H1，H2，Hn，总厚 度为H。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l沿水平方向的等效渗透系数kx l竖直渗流情况 ： l沿竖直方向的等效渗透系数ky 土力学与地基基础土力学与地基基础 第三节 土的二维渗流及流网 l上述渗流属简单边界条件下的单向渗流 ，只要渗透介质的渗透系数和厚度以及 两端的水头或水头差为已知，介质内的 流动特征均可根据达西定律确定。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l在工程上遇到的渗流 问题，边界条件要复 杂得多，水流形态往 往是多个方向的，例 如常见开挖基坑的渗 流（图3-5），这时， 介质内的流动特性常 逐点不同，并且只能 以微分方程的形式表 示，然后根据边界条 件进行求解。 土力学与地基基础土力学与地基基础 土的二维渗流及流网 l一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 l设从稳定渗流场中任取一微分单元土体，其面积 为dxdy，如图若单位时间内在x方向流入单元体 的水量为qx，流出的水量为 ，在y方向 流入 l水量为qy，流出的水量为 。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l假定在渗流作用下单元的体积保持不变 ，水又是不可压缩的，则单位时间内流 入单元体的总水量必等于流出的总水量 ，即 土力学与地基基础土力学与地基基础 l根据达西定律，qx=kxixdy , qy=kxiydx；其中x 和y 方向的水力坡降分别为 l将上列关系式代入上式中并经简化后可得 l这就是各向异性土在稳定渗流时的连续方程。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l如果土是各向同性的，即kx=ky,则上式可 改写成： l这就是著名的拉普拉斯方程 ,是描述稳定 渗流的基本方程式。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l二、流网的特征及应用 l满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线 。就渗流而言，一组曲线称为等势线，在任一 条等势线上各点的势能是等。 l只有满足边界条件的流线和等势线的组合形式 才是拉普拉斯方程的正确解答。 l等势线和流线示意图 土力学与地基基础土力学与地基基础 l流网即为一族流线和等势线交织而成的网 格，根据水力学，具有下列特征： l(1)流线和等势线彼此正交； l(2)每个网格的长宽比值为常数，这时的网 格就成为正方形或曲线正方形； l(3)相邻等势线的水头损失相等； l(4)各流糟的渗流量相等。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l流网绘出后，即可求得渗流场中各点的 测管水头，水力坡降，渗透流速和渗流 量。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l1测管水头 l水头损失 l式中： ：上，下游水位差 l N：等势线间隔数 l n:等势线数 l :每一条等势线间隔所消耗的水头 l从而可求流网中任一点的测管水头 土力学与地基基础土力学与地基基础 l2.孔隙水压力u l渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压 管中的水柱高度hu乘以水的容重rw l3水力坡降 l 流网中的任意网格的平均水力坡降： l 为该网格处流线的平均长度，可见 减小则 流网网格越密。 l 土力学与地基基础土力学与地基基础 l4渗透速度 l各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根 据达西定律求出：即vki，其方向为流线在该 点的切线方向。 l5渗透流量 l单宽流量： l ：流网网格的宽度 l 即相邻流线间的单宽流量相 等。 l通过坝下渗流区的总单流量： l通过坝底的总渗流量： 土力学与地基基础土力学与地基基础 三、各向异性土中的流网-了解 l当kx ky 时 ， l但对各向异性土，即kx ky时， l将上式两边同除以ky,得 l令： l则： l 土力学与地基基础土力学与地基基础 l可见：对于各向异性土，只要把水平坐 标x l乘以比例尺 转换新坐标x，同时保 l持y的比例尺不变，就会按各向同性土来 处理。由此绘得的流网称变态流网。 l利用变态正交流网求渗流量： 土力学与地基基础土力学与地基基础 第四节 渗流力与渗透变形 l渗流所引起的变形（稳定）问题一般可归 结为两类： l一类是土体的局部稳定问题。这是由于渗 透水流将土体中的细颗粒冲出，带走或局 部土体产生移动，导致土体变形而引起的 渗透变形。 l另一类是整体稳定问题。这是在渗流作用 下，整个土体发生滑动或坍塌。 土力学与地基基础土力学与地基基础 堤 岸 1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处 险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。 一般来说，长江中下 游平原冲积地层，上面是粘性土；往 下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂 砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。 在汛期高水 位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内 粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘 土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的 情况下），从而发生管涌。 土力学与地基基础土力学与地基基础 2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号 线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水 ，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9时左右，地 面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分 倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。 土力学与地基基础土力学与地基基础 一、渗透力 l1.渗透力演示试验 l将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖 曳力称为渗透力。 l渗透试验示意图 l 土力学与地基基础土力学与地基基础 l(1)当A与B水平平齐时，则 无渗流发生; l(2)若将B提升，则B内的水 就透过砂样A从溢水口流出 。提得越高，水流越快。 l(3)当B提升到某一高度时， 可看到砂土出现像沸腾那 样的现象（砂沸）设水下 土颗粒有效重力为W（土 粒重力与水的浮力之差） ，竖直向上的渗透力为J， 则土粒实际合力RWJ 。 l当JW时，R0，土粒处 于悬浮状态，出现上述现 象。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l2渗流时的受力分析 l从渗流场中取一流网格（土体）ABCD, l见下图：（a)挡土墙平面渗流场 (b)单元 体中的侧压管水头 (c)单元体孔隙水压力 分布图 土力学与地基基础土力学与地基基础 lAB，DC为等势线，AD，BC为流线，网格 l长为L，宽为b，（两边h0相等，因为相邻两 流线）：流线AD与水平线夹角。 l(1) 土体整体受力分析 l以网格AB，CD整体作为分析对象，网格土 体上作用力有： lWrsatbL1, rsat 为饱和土体自重（土粒 重与孔隙水重之和）； lFw1, Fw2, Fw3, Fw4, 为周围土体中孔隙水作 用在网格边界上的孔隙水压力； lFs1,Fs2,Fs3,Fs4 为周围土颗粒作用在网格边 界上的粒间压力； lTs1,Ts2,Ts3,Ts4 为周围土颗粒作用在网格边 界上的粒间剪力。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l(2) 孔隙水体的受力分析 lGrwVrwLb1 为孔隙水重力 及浮力的反作用之和; lFw1Fw2= (h1h2)b1 为AB，CD 面上孔隙水压力合力，平行水流方向; lFw3Fw4=h0l,为AD，B面上孔隙 水压力合力，与水流方向垂直。 l设土粒对水流的阻力为Js，沿水流方向 分量为Jst，垂直水流方向分量为Jsn l取水流方向的力的平衡，可得: 土力学与地基基础土力学与地基基础 l因为： l所以： l即在垂直流向的分量Jsn0，也是水流阻力 Js=Jst与流线方向重合。 l取水流方向力的平衡，可得 l 土力学与地基基础土力学与地基基础 l则： l渗流对土粒的渗透力与阻力Js大小相等，方向 相反，得: 土力学与地基基础土力学与地基基础 l单位体积土体内土粒所受到的单位渗透 力j为: 土力学与地基基础土力学与地基基础 l3渗透力的特征与计算 l渗透力具有以下特征： l(1)渗透力是一种体积力，量纲为kN/m3 l(2)渗透力与水力坡降成正比 l(3)渗透力方向与渗流方向一致。 l当渗流场中各个网格的水力坡降i求得后，应 用式 可确定单位渗透力 ；网格总 的渗透力 ；其方向与流向一致。 l整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透 力的矢量和。 土力学与地基基础土力学与地基基础 相关考题 l（2）渗透力是一种 力。它的大小和 成正比，作用方向与 相一致。 l（3）渗透力的含义及计算公式是 。 土力学与地基基础土力学与地基基础 相关考题 l（5）在渗流场中某点的渗透力（a ） l a 随水力坡降（水力梯度）增加而增 加；b 随水力坡降（水力梯度）增加而 减小；c 与水力坡降无关。 土力学与地基基础土力学与地基基础 二、渗透变形 l土工建筑及地基由于渗透作用而出现或 破坏称为渗透变形或渗透破坏。 l(一)渗透变形的类型 l按照渗透水流所引起的局部破坏的特征 ，渗透变形可分为流土和管涌两种基本 形式。但就土本身性质来说，只有管涌 和非管涌之分。 土力学与地基基础土力学与地基基础 渗 透 变 形 的 类 型 流土 管涌 流土是指在向上渗流作用下， 局部土体表面隆起，或者颗粒 群同时起动而流失的现象。它 主要发生在地基或土坝下游渗 流溢出处。 管涌是指在渗流作用下土体中 的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙 道中发生移动并被带走的现象。 管涌土分为危险性管涌土和非 管涌性土。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l(二)土的临界水力坡降 l1流土型的临界水力坡降 l现从渗流溢出处取一单位土体，则该单位土 体上有土体本身的有效重量r l以及竖直向上的渗透力 l当竖向渗透力等于土体的有效重量时，即 r=j，土体就处于流土的临界状态。若设这 时的水力坡降为icr,则根据上述条件苛求得： l 或 l 土力学与地基基础土力学与地基基础 l因此只要我们将渗流溢出处的水力坡降， l即溢出坡降ic求出，就可判别流土的可能性： l当icicr, 则土体处于稳定状态 l当ic=icr, 则土体处于临界状态 l当icicr, 则土体处于流土状态 l溢出坡降ic实际上不可能求出的，通常是把渗 流溢出处的流网网格的平均水力坡降作为溢 出坡降的。 l通常要求将溢出坡降ic限制在容许坡降i之内 ，即 式中Fs 为流土安全系数 土力学与地基基础土力学与地基基础 l2管涌型土的临界水力坡降 l发生管涌的临界水力坡降目前尚无合适的 公式可循。 l主要根据试验时肉眼观察细颗粒的移动现 象和借助于水力坡降i与流速v之间的变化 来判断管涌是否出现。 土力学与地基基础土力学与地基基础 3临界水力坡降的试验资料 l(1)临界水力坡降与 不均匀系数的关系 l按不均匀系数把土 划分为流土型，过 渡型和管涌型三类 。 l土的不均匀系数与 临界水力坡降成反 比。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l(2)临界水力坡降与细料含量的关系 l土的渗透变形性主要取决于细料的含量 ，或者说取决于细料充填粗料孔隙的程 度。 l(3)临界水力坡降与渗透系数的关系 l一般说来，渗透系数越大，则临界水力 坡降越小。 土力学与地基基础土力学与地基基础 表3-1 无粘性土的临界水力坡降表 l土类按下列方式进行判别： l天然无粘性土： l较均匀的土 ：流土型 l（Cu5） 土力学与地基基础土力学与地基基础 l不均匀的土（Cu5） ： l级配不连续： l P 35 流土 l P 25 管涌 lP（2535） 过渡 lP为细粒含量（小于分布曲线中对应粒径的颗粒含量 ） l 级配连续： lD0d3 流土 lD0d5 管涌 lD0 =d3d5 过渡 土力学与地基基础土力学与地基基础 渗透变形的防治措施 l防治流沙的关键在于控制逸出处的水力 坡降，为了保证实际的逸出坡降不超过 允许坡降，水利工程上常采取下列工程 措施： 土力学与地基基础土力学与地基基础 l（1）上游做垂直的防渗帷幕，如混凝 土防渗墙、板桩或灌浆帷幕等；（2） 上游做水平防渗铺盖，以延长渗流途径 ，降低下游的逸出坡降；（3）下游挖 减压沟或打减压井，贯穿渗透性小的粘 性土层，以降低作用在粘性土层底面的 渗透压力；（4）下游加透水盖重，以 防止土体被渗透力所悬浮。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l防止管涌一般可从下列两方面采取措施 ：（1）改变水力条件，降低土层内部 和渗流逸出处的渗透坡降；（2）改变 几何条件，在渗流逸出处铺设层间关系 满足要求的反滤层，是防止管涌破坏的 有效措施，反滤层一般是13层级配较 为均匀的砂子和砾石层。 土力学与地基基础土力学与地基基础 l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 土力学与地基基础土力学与地基基础 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 粘土铺盖 设置反滤层 砂垫层 水位 加筋土工布 回填中粗砂 抛石棱体 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 土力学与地基基础土力学与地基基础 排水减压 粘性土 含水层 减压井 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 土力学与地基基础土力学与地基基础 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 原地下水位 明沟排水 原水位面 一级抽水后水位 二级抽水后水位 多级井点降水 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