02土的渗透性土力学课件.ppt

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 水在土体中渗流 一方面会引起水头损失或基坑积水 影响工程效益和进度 另一方面将引起土体变形 改变构筑物或地基的稳定性影响工程安全 第二章土的渗透性 在高层建筑基础及桥梁墩台基础施工中 深挖基坑排水时 都需要计算涌水量 渗流量 以配置排水设备和进行支挡结构的设计计算 在修建堤坝或路堤时 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与时间的关系时 也需掌握土的渗透性 因此 土的渗透及渗流与土体强度 变形问题一样 是土力学中主要的基本课题之一 渗流 强度 变形三者相互关联 相互影响 土的渗透性 第一章土的物理性质 第七节土的渗透性 法国工程师达西利用图所示的试验装置对砂土进行了大量的渗透试验 得出了层流条件下土中水渗透速度与能量损失之间的渗流规律 即达西定律 达西定律 第一章土的物理性质 第七节土的渗透性 试验发现 单位时间内的渗出水量与水力梯度和圆筒断面积成正比 且与土的透水性质有关 即 达西定律 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 土的渗透系数是一个待定的比例系数 其物理意义为 单位水力坡降 即i 1 时的渗透速度 达西定律 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 根据达西定律 知道土的渗透系数k反映了土的渗透性能 是土的重要力学性能指标之一 它的大小可通过试验确定 试验可在实验室或现场进行 土的渗透系数 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 常水头法变水头法 注水试验抽水试验 各类土渗透系数变化范围 见书本 土的渗透系数 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 土粒的大小和级配 土粒越大 组成越均匀 则渗透性越强 级配良好时 如砂土中粉粒和粘粒增多 其渗透性会大大降低 土的孔隙比 孔隙比小 土中孔隙相对较少 渗透性也小 水的温度 同样条件下 水的温度越高 其渗透性越好 影响渗透性的是水的动力粘度 水温越高 动力粘度就越低 土中封闭气体含量 土中封闭气泡越多 土的渗透性就越小 影响土渗透性的主要因素 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 静水作用在物体上的力称为静水压力 水流动时作用的力与此不同 定义 流动的水对单位体积上的骨架作用的力称为渗流力或动水力 此动水力是水流对土体施加的体积力 单位是kN m3 而非水流作用在土体表面的压力 kN m2 动水力与水流受到土骨架阻力大小相等而方向相反 土的渗流力 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 右图为一定水头试验装置 当h1 h2时 无渗流发生 若h1 h2 则由于存在水头差 土中将产生向上的渗流 渗流必然对每个土颗粒有推动 摩擦 托曳的作用力 这就是渗流力 土的渗流力 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 渗流力计算公式 土的渗流力 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 式中 其大小与水头梯度成正比 方向与水流方向一致 若将左端的贮水器不断上提 则 h增大到某一数值 土的有效重度 时 向上的渗流力克服了土体向下的重力 则土体发生浮起而处于悬浮状态失去稳定 土粒随水流动 甚至出现砂沸 这种现象称为流砂或流土 这是渗透力已超过土颗粒有效重量 浮重度 的结果 临界水头梯度 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 我们定义当砂土处于悬浮的临界状态时 即j 所对应的水头梯度称为临界水头梯度 用符号icr表示 由流土概念和渗流力计算公式可得 临界水头梯度 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 土的有效重度一般在8 12kN m3之间 而水的重度一般取10kN m3 因此icr近似地取1 临界水头梯度为渗流作用于土体开始发生流土时的水头梯度 由土的三相比例关系 可知土的浮重度 临界水头梯度 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 式中ds e为土粒的比重和孔隙比 解 当渗透力j 时 土层发生流土破坏 计算粘土层的渗透力j 例题 某地基土层剖面如图所示 砂层为承压水层 根据测压管中水位可知 承压水头高出砂层顶面5m 现在粘土层中开挖基坑4m 要求确定防止基坑底板发生流土的水深h至少有多深 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 6m 5m 4m 2m 粘土 sat 18kN m3 砂层 基岩 h 解 当渗透力j 时 土层发生流土破坏 计算粘土层的渗透力j 例题 某地基土层剖面如图所示 保持基坑底面水深为0 承压水头h为多高时即可发生流土 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 6m h 4m 粘土 sat 18kN m3 砂层 基岩 即当h 3 6m时 基坑将发生流土破坏 据统计分析 大多数地质灾害及岩土工程中发生的事故都与土中水有关 土工建筑物及地基由于渗流出现的破坏或变形称为渗透破坏或渗透变形 土的渗透破坏及其工程问题 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 流土管涌 九江大堤决口 溃口原因 堤基管涌 1998年8月7日13 10发生管涌险情 20分钟后 在堤外迎水面找到2处进水口 又过20分钟 防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞 5m宽的堤顶随即全部塌陷 并很快形成一宽约62m的溃口 上海轨道交通四号线越江隧道工程的联结旁通道使用冰冻法支护施工 由于设计与施工失误 造成水 砂透过冰冻层而大量涌入隧道 支护结构破坏 使地面开裂下沉2 4m 最后造成多处楼房倒塌 近70m的黄埔江防汛墙被严重破坏 黄埔江水进入隧道 造成中外关注的重大事故 我国98年的特大洪水在全民中普及了一个土力学的名词 管涌 98年长江堤防险情共有6000多处 其中有所谓管涌 崩岸 散浸 跌窝 塌坡 脱坡等 每一种都与土中水及其渗流有关 其中管涌约占60 九江 牌洲湾等几处大溃堤无一不是由管涌引起 土的渗透破坏及其工程问题 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 防治流土的关键在于控制逸出处的水力坡降 上游做好垂直防渗帷幕 如混凝土防渗墙 打钢板桩或灌浆帷幕等 上游做水平防渗帷幕 以延长渗流途径 降低下游逸出坡降 水利工程中 下游挖减压沟或打减压井 以降低作用在粘性土层底面的渗透压力 下游加透水盖重 以防止土粒被渗透力所悬浮 土层加固处理 如冻结法 渗透破坏的防治措施 第二章土的物理性质 第五节土的渗透性 防止管涌