土的渗透性(最终确定1).ppt

土中水的运动规律,第二章,土的毛细性是指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象是指土中水 在表面张力作用下，沿着孔隙移动的现象。土的毛细性在以下几个方面 对工程有影响： （1）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一； （2）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿； （3）毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工程和农业经济有很大的影响。 土层中的毛细水带可分为以下三种： （1）正常毛细水带：位于毛细水带下部，和地下水位连通，毛细水几乎 充满了土的孔隙； （2）毛细网状水带：位于毛细水带中部； （3）毛细悬挂水带：位于毛细水带的上部，毛细水由地表水渗入而成， 水悬挂在土颗粒之间，不与中部和下部的毛细水相连。,第二章 土的渗透性,2.1概述,毛细水,2.1 概述,土中毛细现象,上升高度:,r2hcw=2rTcos,毛细水,分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管,毛细升高与孔径成反比,黏土 粉土 砂土 砾石,分析对象: 水柱,第二章 土的渗透性,2.1概述,对砂土强度的影响:毛细边角水, 假凝聚力,假定= 0, 毛细压力,2rTcos+ucr2 = 0,毛细压力,分析对象: 水膜,第二章 土的渗透性,2.1概述,第二章 土的渗透性,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土体被水透过的性能,渗透特性 强度特性 变形特性,能量差,2.1概述,重力水,渗漏 (渗流量问题) 因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。 渗透稳定(渗透变形问题): 土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。 渗流控制问题： 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。,土的渗透性研究主要包括以下三个方面,渗流模型： 1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主 要流向； 2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒 所占的空间之和均为渗流所充满。,第二章 土的渗透性,2.1概述,滑坡,溃坝,管涌,防渗墙,防渗墙射水法施工,防渗墙,管涌的治理,反滤倒渗,反滤围井,蓄水反压,2.1概述,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,土石坝坝基坝身渗流,第二章 土的渗透性,2.1概述,渗水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,第二章 土的渗透性,2.1概述,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,第二章 土的渗透性,2.1概述,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,第二章 土的渗透性,2.1概述,渗流滑坡,渗流滑坡,第二章 土的渗透性,2.1概述,渗流量,渗透变形,渗水压力,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流,第二章 土的渗透性,2.2 土的渗透试验和达西定律,一Darcy定律,二Darcy定律的适用范围,三渗透试验简介,水在土中渗透的基本规律,四影响渗透系数的因素,第二章 土的渗透性,五层状地基的等效渗透系数,h1,h2,L,2.2 土的渗透试验和达西定律,一. Darcy定律,第二章 土的渗透性,Darcy 定律: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。,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,水力坡降：,2.2 土的渗透试验和达西定律,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 VsA,第二章 土的渗透性,2.2 土的渗透试验和达西定律,二. 达西定律适用条件,上限：粗粒土 vvcr 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,可以用粒径来描述Darcy定律的范围,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流） 大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较重的黏性土,两种特例,下限：黏性土(结合水膜的影响） 致密的黏土 ii0, v=k(i - i0 ),第二章 土的渗透性,室内试验测定方法 野外试验测定方法,2.2 土的渗透试验和达西定律,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,2.2 土的渗透试验和达西定律,1. 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,适用土类：透水性较大的砂性土,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,2.1 土的渗透试验和达西定律,2.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，a,量测变量: h ，t,透水性较小的黏性土,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,2.2 土的渗透试验和达西定律,结果整理:,理论依据:,t时刻： h,t,dh,流入量：,流出量：,连续性条件：,选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,渗水量随h的减小而增加,2.2 土的渗透试验和达西定律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,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,3. 室内试验方法,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,黏性土,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,4. 野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,2.2 土的渗透试验和达西定律,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观察井,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：,理论依据：,第二章 土的渗透性,三.渗透试验简介,2.2 土的渗透试验和达西定律,第二章 土的渗透性,5.渗透系数的应用,通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗 透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。,强透水层 中等透水层 相对不透水层,K10-2cm/s,K=10-310-5cm/s,K10-6cm/s,卵石、圆砾等 用于填筑坝体的防渗部位。,三.渗透试验简介,各种土的渗透系数参考值,各种土的渗透系数及测定方法,第二章 土的渗透性,2.2 土的渗透试验和达西定律,影响因素,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,2.2 土的渗透试验和达西定律,四. 渗透系数的影响因素,水的动力黏滞系数 饱和度（含气量） 对k影响很大，封闭气泡,第二章 土的渗透性,土的粒度成分,土的密实度,土的饱和度,土的结构,水温,土的构造,土粒粗、大小不均匀、形状越圆滑，k就大；含细粒时，随细粒含量增加k急剧下降。,土越密实，k越小。,一般情况下，饱和度越低，土中孔隙含气泡越多，k就小。,细粒土扰动土样与击实土样的k小于原状土样的。,影响很大。,K与水的重度及黏滞度有关，水温影响重度和黏滞度，20为测k的标准水温。,四. 渗透系数的影响因素,第二章 土的渗透性,2.2 土的渗透试验和达西定律,等效渗透系数,确立各层的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,2.2土的渗透试验和达西定律,天然土层多呈层状,第二章 土的渗透性,五.层状地基的等效渗透系数,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,五.层状地基的等效渗透系数,2.2土的渗透试验和达西定律,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,第二章 土的渗透性,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,五.层状地基的等效渗透系数,2.2土的渗透试验和达西定律,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,vi = ki (hi/Hi),第二章 土的渗透性,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,2.2土的渗透试验和达西定律,五.层状地基的等效渗透系数,第二章 土的渗透性,算例说明,2.2土的渗透试验和达西定律,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数层厚加权平均，由较小值控制,五.层状地基的等效渗透系数,第二章 土的渗透性,水平成层土的平均渗透系数将取决于 最透水土层的厚度和渗透性 垂直成层土的平均渗透系数将取决于 最不透水土层的厚度和渗透性,第二章 土的渗透性,2.2土的渗透试验和达西定律,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,一、渗流作用下土的应力状态,（一）静水条件下土的有效应力与中性应力,1、总应力,作用在截面上水柱和土的重量为：,a点的应力：,2、中性应力,a点孔隙内的水所具有的静水压力为：,2.3 渗透力和渗透破坏,3.有效应力,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,a点除了作用有孔隙水压力外，还有土颗粒之间传递的有效应力，它直接由土颗粒的接触点传递压力，完全作用在土体骨架上而影响骨架土粒的结构变形，故称为有效应力 。,（二）渗流作用下土的有效应力,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,水通过土层向下渗流,水通过土层向上渗流,1、水通过土层向下渗流,水面 ,保持不变,动水压力,总应力,有效应力,渗流作用铅直向下时，能使土的有效应力增加。,2、水通过土层向上渗流,渗流作用铅直向上时，则渗流引起的孔隙水压力可使土的有效应力减小，影响土的渗透稳定。,二.渗透力和渗透变形,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,h2,2,2,hw,L,滤网,贮水器,a,b,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,1,1,1. 渗透力,土粒,渗 流,j,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,1. 渗透力,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L( + w) + whw,R = L,土水整体分析,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,1. 渗透力,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L( + w) + whw,R = L wh,R = L,渗流中的土体,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,1. 渗透力,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,R = L wh,R = L,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,减少的部分由谁承担？,水与土之间的作用力渗流的拖曳力,总渗透力,J = wh,渗透力,j = J/V = wh/L = wi,j = wi,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,1. 渗透力,1. 渗透力,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,渗透力的性质,物理意义：渗流作用于单位土体的力（kN/m），是渗流对土粒的作用力，为体积力。,j = wi,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,基本类型,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,流土,管涌,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏,形成条件,防治措施,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,（1）渗透变形,土粒间不存在接触应力，处于即将被浮动的临界状态。当,时，土粒被渗流夹带向上浮动。,总渗透力：,浮 重：,当,时，,，,有效应力：,渗透变形的危害：,a、土粒被渗流带走，地基中形成过通穴道，上部结构倒塌；,b、滑坡。,渗流引起的渗透破坏主要有,1. 由于渗流力（渗透力）的作用，使土体颗粒流失或局部 土体产生移动，导致土体变形甚至失稳,2. 由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳,管涌,流砂（或流土）,滑坡,水库塌岸，岸坡、土坝在水位降落时滑动，挡土墙等结构物失稳,在土坡稳定分析中讲,引起,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,（2）基本形式,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,a 流土,渗流,原因：,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,在渗流作用下，黏性土或无黏性土体中某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生流动的现象。下游的土坡局部面积出现被渗流带走并导致坡面出现局部滑动。,当iicr时,发生渗透破坏。,流砂产生的原因：1.水在土中自下而上渗流 2.JW,第二章 土的渗透性,2.3 渗透力和渗透破坏,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,（2） 基本形式,管涌,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,在渗流作用下，无黏性土土体中的细小颗粒，通过粗大颗粒的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。,管涌,管涌破坏,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,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黏性土或分散性黏土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,2.3 渗透力和渗透破坏,第二章 土的渗透性,（2） 基本形式,2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）,（3）形成条件,Fs: 安全系数1.52.0,