土的渗透性及渗流.ppt

3.1 概述,土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,3 土的渗透性及渗流,渗透的定义及土的渗透性,水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响,3.2.1 渗流基本概念,3 土的渗透性及渗流,3.2 土的渗透性,一渗流中的水头 (伯努力定理1738),A,B,L,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,总水头单位质量水体所具有的能量,z：位置水头,p/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,总水头：,水力坡降：,Darcy渗透定律 (1855),由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流 即:相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流,h，q A，q L， q,断面平均流速,水力坡降,达西定律,渗透定律,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,3.2.2层流渗透定律,注意：,A,Av,V：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,A Av,qVA VsAv,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.2层流渗透定律,流速与水力梯度的关系砂土,砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.2层流渗透定律,粗粒土： 砾石类土中的渗流不符合达西定律 砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,适用条件,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流） 大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土： 致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 ),3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法1常水头试验法,结果整理,试验装置：如图,试验条件: h，A，L=const,量测变量: Q，t,i=h/L,q=Q/t,q=kAi,适用土类：透水性较大的砂性土,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件: h变化，A，L=const,量测变量: h ，t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法2变水头试验法,结果整理:,dQr= - adh,dQc=kiAdt=k (h/L)Adt,dQr=dQc,流入量：,流出量：,连续性条件：,-adh =k (h/L)Adt,选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值,(3-12b),3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算式,取值,h=const,h变化,h，A，L,Q，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,2.现场测定渗透系数,方法同地下水动力学略,3.影响渗透系数的主要因素,粒径大小及级配 土的密实度 土的结构 土的构造,水的动力粘滞系数 饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,4. 渗透系数k的经验确定方法 (自学教材p70 p7) . 成层土的等效渗透系数,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qix=kiiiHi,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,. 成层土的等效渗透系数,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,竖直渗流:,q,承压水,条件:,等效渗透系数:,qi = ki (hi/Hi),水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,. 成层土的等效渗透系数,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,. 成层土的等效渗透系数,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,因此，成层土kxkz,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,3.3 土中二维流渗流及流网,Laplace方程,连续性条件,假定：,稳定渗流,h=h(x,z), v=v(x,z),取单宽： dy=1,与时间无关,达西定律,二维渗流的基本方程,1. 基本方程,h恒定、v不变,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,1. 基本方程,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式,取单宽： dy=1,（3-22）平面渗流连续方程,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,确定渗流场内各点的测管水头h的分布，进而求得该条件下的渗流场,基本方程,边界条件,定解条件,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,装置：如图,条件: h，A，L=const , 一维流,解得,h=A1z+A2,由土层1边界条件:,z=0 , h=h1 Z=H1 ,h=h2,A2=h1,h2=A1H1+h1 或,解得,h=A1z+A2,解得,h2=A1H1+h1 或,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,h=A1z+A2,A2=h1,(0zH1),h=A1z+A2 (前 3-28式),由土层2边界条件:,z=H1 , h=h2 z=H1+ H2 , h=0,0=A1(H1+H2)+(h2-A1H1) 或,A2=h2-A1H1,（3-31）,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,h=A1z+A2,A2=h2-A1H1,(H1zH1+H2),根据连续性条件 通过土层1和土层2的流量相等,达西定律 q=kiA,解得:,（3-34）,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,(0zH1) (3-37),(H1zH1+H2) (3-38),利用(3-37)、（3-38）式，可以得到任何位置的水头,（3-34）,（3-31）,（3-36）,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2. 求解方法,例题3-1 已知H1=300mm，H2=500mm，h1=600mm，在z=200mm处，h=500mm，求z=600mm时h为多少？ 解 ：当z=200mm时位于土层1，因此采用式（3-37）,得k1/k2=1.8,z=600mm时位于土层2,因此采用式(3-28),求解拉氏方程的方法：,解析法,数值法,电拟法,比较精确，但只有在边界条件简单的情况下才能求解,有限差分法（FDM） 有限单元法（FEM） 电网络模拟 边界条件比较复杂的渗流,图解法,简便、迅速,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,求解拉氏方程的方法：,简便、迅速,求解拉氏方程的方法：,简便、迅速,简便、迅速,简便、迅速,简便、迅速,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,流 网渗流场中等势线和流线所形成的正交曲线网格。 流 线水质点运动的轨迹线。 等势线测管水头相同的点之连线 。 图解法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,1. 流网的特征,流网的概念,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,1. 流网的特征,流网特征,1. 正交性：流线与等势线必须正交,2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,3. 相邻等势线之间的水头损失相等。,4.各流槽的渗漏量相等。,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,2. 流网的绘制,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,按比例绘出结构物、地层剖面图,一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。,根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,流网特点,与上下游水位变化无关 h=const； 与k无关； 等势线上各点测管水头h相等。,2. 流网的绘制,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,3. 渗漏量的计算,等势线间的水头损失 h= H/Nd Nd等势线条数减1,确定每个流槽的流量,b,b,网格长宽比,总渗流量,Nf为流槽数，等于流线减1,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,渗流,土体内部应力状态变化,土体的局部稳定问题,土体的整体稳定问题,管涌、流土等,水库塌岸 岸坡、土坝在水位 降落时 引起的滑动,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.1 渗透力,试验观察,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。,渗透变形,渗透力,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.1 渗透力,假想将土骨架和水分开,对假想水柱取脱离体:,水柱重力,Gw=Vvw+Vsw=LAww,渗透力为J; 渗透阻力为J。,总阻力为 JLAw,做水柱体的平衡方程式有:,whwAw+Gw+JLAw=wh1Aw,(3-42),渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j = wi,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利 2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利 4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,流土,在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象,渗流,原因：,流土,icr一般在0.81.2之间,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,流土,流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。理论上：,土处于稳定状态,土处于临界状态,土处于流土状态,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,流土,Fs: 安全系数1.52.0,渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。 在设计时，为保证建筑物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,管涌,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。它是一种渐进性破坏。,自然条件下形成的上述破坏称之为潜蚀。,潜蚀,机械潜蚀 化学潜蚀,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,管涌,管涌破坏,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,较均匀土 （Cu10）,管涌,几何条件,水力条件,一般发生在无粘性土中,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的 孔隙小于细颗粒,不