《土力学与土质学》PPT课件.ppt

土的渗透性,土孔隙中的自由水在重力作用下，只要有水头差，就会发生流动。 水透过土孔隙流动的现象。称渗透或渗流，而土被水流透过的性质，称为土的渗透性。 在高层建筑基础及桥梁墩台基础工程中、深挖基坑排水时，都需计算涌水量，以配置排水设备和进行支挡结构的设计计算； 在河摊上修筑堤坝或渗水路堤时。需考虑路堤材料的渗透性； 在计算饱和粘性土上建筑物的沉降和时间的关系时，也需掌握土的渗透性。 因此，土的渗透性及渗流与土体强度、变形问题一样，是土力学中主要的基本课题之一。,土的渗透性,地下水按埋藏条件可分上层滞水、潜水、承压水3类。 上层滞水：存在于地面以下 局部隔水层上面的积水。分 布范围有限，是季节性或临 时性的水源。 潜水：埋藏在地面以下第一 个连续稳定的隔水层以上， 具有自由水面的地下水。潜 水的水面标高称为地下水位。 潜水水位往往低于上层滞水。 承压水：充满在两个稳定的 隔水层问的承受一定静水压 力的地下水。承压水上下都有隔水层存在，它的埋藏区与补给区不一致。 因此，承压水的动态变化，受局部气候的影响不明显。,土的渗透性,工程中常见的渗透问题包括渗漏和渗透稳定。 渗漏是指水通过挡水构筑物或地基渗透，造成蓄水、输水、取水工程 的水量损失，或是造成基坑积水，影响珐础施工； 渗透稳定则是指渗透作用使土中的应力状态发生变化，导致土体稳定 性的丧失，甚至引起构筑物的失稳。,坝身渗透 闸基渗透,土的渗透性,层流渗透定律,渗透模型,渗透系数的确定,动水压力及流土现象,下面讨论四个问题：,渗透模型,考虑到实际工程可对渗流作如下简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折；二是不考虑土体中颗粒的影响,对于渗透速度，用单位时间内通过土体单位面积的水量这种平均渗透速度来代替真实速度。,模型的流量等于真实的流量； 模型的压力等于真实的压力 模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。,达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。 著名的达西(Darcy)渗透定律： 渗透速度： v渗流速度，cm/s。是在单位时间内 流过一单位土截面的水量， i水头梯度或水力坡降。 k渗透系数，cm/s。,土的渗透性,达西渗透实验,达西渗透实验装置,装置中是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有两支相距为l 的侧压管。滤板填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透过砂层的水从短水管流入量杯中，并以此来计算渗流量Q。 得出：流量Q与过水面积A和水头（h1-h2）成正比与渗透路径l成反比，即达西定律：,达西渗透实验,达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。 实验证明：在砂土中水的流动符合达西定律。它是通过坐标原点的直线，而在粘性土中，只有当水头梯度超过所谓起始水头梯度后才开始发生渗流。当水头梯度i不大时，渗透速度v为零，只有当ii0(起始水头梯度)时，水才开始在粘土中渗流。为了简化，用折线代替，故粘性土的达西公式为,细粒土的v-i关系,粗粒土的v-i关系,砂土、一般粘土,颗粒极细的粘土,达西渗透定律的适用条件 只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。也就是说，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。,达西定律的适用范围,必须指出，由上式求出的渗透速度是一种假想的平均流速，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平均流速大很多。 它们之间的关系为：,土的渗透性,影响土渗透性的因素,渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。 影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难， 影响砂性土渗透性的主要因素是颗粒大小、级配、密度以及土中封闭气泡。 土颗粒愈粗，愈浑圆、愈均匀，渗透性愈大。 级配良好土，细颗粒填充粗颗粒孔隙中，土体孔隙减小，渗透性变小； 渗透性随相对密实度Dr增加而减小。 土中封闭气体不仅减少了土体断面上的过水通道面积，而且堵塞某些通道，使土体渗透性减小。,影响粘性土渗透性的因素比砂性土更为复杂。 粘性土中含有亲水性矿物(如蒙脱石)或有机质时，由于它们具有很大的 膨胀性，就大大降低土的渗透性。含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。 粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透 性。 另外，土体各向异性和应力各向异性造成了土体渗透性的各向异性。 如层状粘土，由于水平粉细砂层的存在，使水平向渗透系数远远大于竖直向渗透系数； 西北地区的黄土，具有竖直方向的大孔隙。那么竖直方向的渗透性要比水平方向的大得多。 可见，土的矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造以及土中气体等都影响粘件土的渗透性。,影响土渗透性的因素,渗透系数的确定,通常可通过 试验方法 实验室测定法 现场测定法 或 经验估算法 来确定k值。,渗透系数的测定 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。 实验室内测定渗透系数 就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。 (一)常水头法 是在整个试验过程中，水头保持不变。 常水头法适用于透水性强的无粘性土。 k 10-3 为细砂到中等卵石 土的渗透系数： 下页所示为基马式渗透仪,土的渗透性,土的渗透性,基马式渗透仪,(二)变水头法 在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。 变水头法适用于透水性弱的粘性土。 透水性较小 (10-7 k10-3) 粘性土 土的渗透系数： 或 下页为南55型渗透仪,土的渗透性,南55渗透仪,土的渗透性,现场测定法,有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。,无压完整井抽水试验,无压非完整井抽水试验,经验估算法,1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式: 1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:,成层土的渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于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为已知时，我们可求出整个土层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。,土的渗透性,如前图(a)所示与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和，即 整个土层与层面平行的平均渗流系数为：,土的渗透性,如前图(b)所示与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总渗流量qy应为各土层渗流量，即 整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：,土的渗透性,二向渗流和流网的特征 一、如果土是各向同性的kx等于ky，则 上式就是著名的拉普拉斯(Laplace)方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。 二、流网及其特征 就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网。,土的渗透性,流网的确定方法 对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征： 流线与等势线彼此正交； 每个网格的长宽比为常数； 相邻等势线间的水头损失相等； 各流槽的渗流量相等。,土的渗透性,渗流力及渗透稳定性 渗流所引起的稳定问题： 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题 整体稳定问题 渗流力的概念 水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。 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，用f表示(kN/m3) 。,土的渗透性,土的渗透性,在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中，渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中，也有过不少发生渗透变形(流土或管涌)的事例，严重的使工程施工中断，甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视。,渗透变形 渗透变形可分为：流土和管涌两种基本形式。 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。主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。(渗流水流将整个土体带走) 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。主要发生在砂砾土中。(土体大颗粒之间的小颗粒被冲出),土的渗透性,动水压力及流砂现象,动水压力(渗透力）计算 渗透力的大小与计算点的位置有关。根据对渗流网中的孔隙水压力和土粒间作用力的分析，得出单位体积内土粒受到的单位渗透力为： 式中 i 为水力梯度；gw水的容重。,验证渗流力存在的流土试验 当容器B提升到一定高度，容 器A与容器B内水位差达到一 定值时，可以看到砂面出现沸 腾那样的景象，这种现象称为 流土或浮冲、砂沸。 渗流力f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。,土的渗透性,孔隙水为脱离体,土粒对水流的总阻力Fs,土的渗透性,沿水流方向力的平衡,土的渗透性,动水压力及流砂现象,流土现象、管涌和临界水力梯度 发生流土的条件为 土的临界水力梯度 土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。 流土型土的临界水力梯度 当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。 流土的临界状态对应的水力梯度为,土的,土体的单位有效重力,水力梯度,土体的单位有效重力,或,流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯度ie： ie icr 流土 粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。,土的渗透性,管涌型土的临界水力梯度 管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度i与流速v之间的变化来判断管涌是否出现。,(1)公式：略,(2)肉眼观察,(3)水力梯度i