静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力.ppt

渗流力：渗透水流 施于单位土体内土 粒上的拖曳力，也 称渗透力、动水压 力。 一、渗流力的概念 h0 0 0 hw L 贮水器 土样 滤网 a b h2 h2 h1 h1 4-5 渗流力及渗透稳定性 土粒对水流的总阻力Fs h2 h0 h1 h0 h Ww Ww Fs Fs A B C D A B C D U1 U2 A B C D a b Ww Fs U1 U2 以网格中的孔隙水 为研究对象 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性 沿水流方向力的平衡 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性 渗流力的大小与水力梯度成正比， 其作用方向与渗流（或流向）方向一致 ，是一种体积力，常以kN/m3计。 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性 h2 h0 h1 h0 h W W A B C D A B C D U1 U2 A B C D a b Ww J U1 U2 WR Fs 以网格中的整个土 体（包括土粒与孔隙水) 为研究对象 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性 二、渗透变形 （一）渗透变形的形式 流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动 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：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通 道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。 4-5 渗流力及渗透稳定性 （一）渗透变形的形式 二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性 （一）渗透变形的形式 二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性 2、管涌型土的临界水力梯度 （二）土的临界水力梯度 二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为 孔隙水应力，常以u表示。 一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力 把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。 把孔隙水应力和有效应力之和称为总应力。 FS FS NS NS A： Aw： As： 土单元的截面积 颗粒接触点的截面积 孔隙水的截面积 a a 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力 二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 h2 h1 粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 地下水位下降引起 增大的部分 h1 h2 =- u u=wh2u=wh2 地下水位下降会引起 增大，土会产生 压缩，这是城市抽水 引起地面沉降的一个 主要原因。 二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 （一）渗流方向由上向下 hw h h2 h1 砂层，排水 粘土层 sat 水 w 三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 （二）渗流方向由下向上 h hw h2 h1 砂层，承压水 粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 （二）渗流方向由下向上 h hw h2 h1 砂层，承压水 粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 静水条件和渗流情况下的应力情况比较 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水应力即可由该点的测压管中的 水柱高度(或称压力水头）乘以水的重度得到。 四、根据流网确定孔隙水应力 当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水 应力是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将 这一部分孔隙水应力称为静孔隙水应力；其二是由渗流所引起的，即超过 静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力,通常将这一部分孔隙水 应力称为超静孔隙水应力。 注意：土体的超静孔隙水应力 除可由渗流产生以外，荷载 （动的或静的）也能够在土体 内引起超静孔隙水应力。 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 【例题33】如图所示，若地基上的 土粒比重Gs为2.68，孔隙率n为38.0 ， 试求： （1）a点的孔隙水应力和有效应力； （2）渗流逸出处12是否会发生流 土？ （3）图中网格9，10，11，12上的渗 流力是多少？ 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 a点在第二根等势线上，因此，该点 的测压管水位应比上游水位低 h=0.8m，从图中直接量得下游静 水位至a点的高差 ha=10m，而超过 下游静水位的高度应为 ha=h-h 8-0.87.2 m。 则a点测压管中的水位高度 hw ha+ ha= 10+7.2=17.2 m。 所以，a点的孔隙水应力为 u=whw=9.817.2=168.56 kPa （1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N10， 则相邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8m。 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 其中由下游静水位引起的静孔隙水应 力为 u= w ha=9.810=98 kPa 而由渗流引起的超静孔隙水应力为 u= w ha=9.8 7.2=70.56 kPa a点的总应力为 w h1+ sat (ha-h2) 其中土的饱和重度 satsat9.8= w1+(Gs-1)(1-n) 9.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 kN/m3 代入上式得总应力为 9.8 10+20 (10-2) =98+160=258 kPa 于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为 -u =258-168.56=89.44 kPa 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 从图中直接量得网格1，2，3，4的平 均渗径长度L=8 m，而任一网格上的 水头损失均为h=0.8 m，则该网格的 平均水力梯度为 i=h/L0.8/8=0.1 该梯度即近似代表地面12处的逸出梯 度ie。 流土的临界水力梯度为 icr=(Gs-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04 ie 故渗流逸出处12不会发生流土现象。 （2）渗流逸出处12是否会发生流 土？ 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 图中直接量得网格9，10，11，12的 平均渗径长度L=5.0 m，两流线间的平 均距离b=4.4 m，网格的水头损失 h=0.8 m，所以 作用在该网格上的渗流力为 J w (h/ L)b Lw b h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m （3）图中网格9，10，11，12上的渗 流力是多少？ 4-6 在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力 复习思考题 4-1 何谓达西定律，达西定律成立的条件有哪些？ 4-2 实验室内测定渗透系数的方法有几种？它们之间又什么不 同？ 4-3 流网有什么特征？ 4-4 渗透变形有几种形式？各有什么特征？ 4-5 什么是临界水力梯度？如何对其进行计算？ 4-6 孔隙水应力在静水条件下和在稳定渗流作用下有什么不同 ？如何利用流网确定渗流作用的孔隙水压力。 4-7 根据达西定律计算出的流速和土水中的实际流速是否相 同？为什么？ 4-8