3 土的渗透性

第三章土的渗透性 3 1概述 渗透 由于土体本身具有连续的孔隙 如果存在水位差的作用 水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体 地基本身的结构 强度等状态的变化 从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题 3 2土的渗流理论 一 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 3 1 或渗流量为 3 2 式中 水在土中的渗透速度 cm s 它不是地下水的实际流速 而是在一单位时间 sec 内流过一单位土截面 cm2 的水量 cm3 i 水头梯度 即土中两点的水头差 h1 h2 对右图 为H1 H2 与两点间的流线长度 L 之比 k 土的渗透系数 cm s 与土的渗透性质有关的待定系数 对粘性土 3 3 3 2土的渗流理论 土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定 各种土的渗透系数参考值 cm s 3 2土的渗流理论 必须指出 由式 3 1 求出的渗透速度v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v 要比假想的平均流速大很多 它们之间的关系为 3 4 3 2土的渗流理论 二 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 达西渗透定律的适用界限可以考虑为 3 5 满足达西渗透定律的土的平均粒径 3 6 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 3 2土的渗流理论 渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标 三 实验室内测定渗透系数可分为 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 土的渗透系数 3 7 下页所示为基马式渗透仪 3 2土的渗流理论 二 变水头法在整个试验过程中 水头是随着时间而变化的 适用于透水性弱的粘性土 土的渗透系数 3 8 3 9 3 2土的渗流理论 四 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 3 2土的渗流理论 如图3 6 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 3 2土的渗流理论 如图3 6 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应为各土层渗流量之总和 即整个土层与层面垂直的平均渗流系数为 3 2土的渗流理论 1 ThetestapparatusisshownasFig Below Assumingthewatertablesinbothcontainers AandB unchangeable DeterminetheheighthinpipeCforpressure 3 2土的渗流理论 3 3渗透力及渗透破坏类型 渗流所引起的稳定问题 1 土体的局部稳定问题 又称为渗透变形问题 2 整体稳定问题 一 渗透力的概念在饱和土体中水的渗流分析中 把土颗粒骨架视为不可变形的刚体 发生渗流时 受到土粒的阻力 引起水头损失 同时水也对土颗粒施加渗流作用力 单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗透力 seepageforceorseepagepressure 或动水压力 用J表示 两端A B表面的孔隙水压力 其差值为 2 孔隙水流的自重沿流向方向的合力为 3 3渗透力及渗透破坏类型 3 孔隙水体受到的总阻力为 4 在土粒两端A B截面上所受到的孔隙水压力 以同样大小传给土体内的水体 5 土粒所受的浮力 以同样大小反作用于水体 在流线方向上的分力为 渗透力是一种体积力 量纲与相同 渗透力的大小和水力梯度成正比 方向与渗流方向一致 按照流线方向的合力为零力 则有 3 3渗透力及渗透破坏类型 而渗透力J为的反作用力 即 简易解法Forceofpermeability 二 渗透破坏类型根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土 管涌 接触流失和接触冲刷四种形式 称为土的渗透破坏的四种模式 1 流砂或流土在自下而上的渗流发生时 渗透力的大小超过土重度 致使土粒间的有效应力为零 土体的表面隆起 浮动或某颗粒群悬浮 移动的现象称为流砂 sandboiling 或流土 soilboiling 3 3渗透力及渗透破坏类型 土的临界水力梯度当竖向渗流力等于土体的有效重量时 土体就处于流土临界状态 当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时 就会出现流砂现象 以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度 3 3渗透力及渗透破坏类型 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 3 3渗透力及渗透破坏类型 3 3渗透力及渗透破坏类型 2 管涌 在渗流作用下 土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动 以至流失 随着土的孔隙不断扩大 渗流速度不断增加 较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走 最终导致土体内形成贯通的渗流通道 造成土体塌陷 这种在渗流作用下土体内的细土颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道内发生移动并被带出的现象称为管涌 piping FortheseepagesituationsshowninFigbelow thelengthofthesandsampleL 25cmandwaterheaddifferenceh 20cm CalculatetheForceofpermeabilityappliedonsandIfs 26 8kN m3 e 0 72 Determinewhetherwillrunningsandoccur Iftherunningsandoccurs calculatethenecessarywaterheaddifference 例3 2如图装置 土样厚度L 25cm 水头差h 20cm 1 计算渗透力的大小 2 若砂土的土粒比重2 68 e 0 72 是否会出现流土现象 3 若要出现流土 计算最小的水头差 3 3渗透力及渗透破坏类型 3 4有效应力原理 1 有效应力的概念 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 把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力 只有有效应力才能使土体产生压缩 或固结 和强度 3 4有效应力原理 太沙基 Terzaghi 有效应力原理 把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力 定义 研究平面总面积A 粒间接触面积As 孔隙水面积Aw A As 3 4有效应力原理 2 有效应力原理 非饱和土Un saturatedsoilBishop 1959 饱和土 ForSaturatedsoil x 1干土 Forcompletelydriedsoilx 0 3 静水条件下孔隙水压力和有效应力 3 4有效应力原理 3 4有效应力原理 4 稳定渗流条件下孔隙水压力和有效应力 3 4有效应力原理 自上而下渗流 3 4有效应力原理 4 稳定渗流条件下孔隙水压力和有效应力 3 4有效应力原理 自下而上渗流 3 4有效应力原理 AsoilprofileisshowninFig calculatethetotalstress porewaterpressureuandeffectivestress andplotthedistributionwithdepth 3 地基土及其资料如图 求a a b b c c平面处的总应力 孔隙水应力u及有效应力 并绘制其沿深度的分布图 3 4有效应力原理 例3 3a有一粘土层位于两砂层之间 地下水位线位于地表以下1 5m处 其砂土 水面以上 的重度 17 6kN m3 饱和重度 sat 19 6kN m3 粘土层的饱和重度 sat 20 6kN m3 如图所示 若下层砂中有承压水 其测压管水位高出地面3m 计算 粘土层内的总应力 孔隙水压力及有效