第三章土的渗透性和渗流问题

1、第三章,土的渗透性和渗流问题,第三章：土的渗透性和渗流问题,?,?,?,本章提要,本章特点,学习要点,土的渗透性和渗透规律,平面渗流及流网,渗透力与渗透变形,有严格的理论（水流的一般规律）,有经验性规律（散粒多孔介质特性）,注意对物理概念和意义的把握,注意把握土是散粒多孔介质这一特点,?,?,?,?,?,?,?,第三章,土的渗透性和渗流问题,3.1,3.2,3.3,3.4,概述,土的渗透性与渗透规律,平面渗流与流网,渗透破坏与控制,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,碎散性,多孔介质,三相体系,能量差,孔隙流体流动,水、气等在土体孔隙中流动的现象,土具有被水、气等液体透过的性质,渗流,渗透

2、性,渗透特性,强度特性,变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,土石坝坝基坝身渗流,防渗斜墙及铺盖,土石坝,浸润线,透水层,不透水层,渗流量,渗透变形,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,板桩围护下的基坑渗流,板桩墙,基坑,透水层,不透水层,渗水压力,渗流量,渗透变形,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,水井渗流,Q,天然水面,透水层,不透水层,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,渠道渗流,渗流时,地下水位,原地下水位,渗流量,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,渗流滑坡,3,土的渗透性和渗流问题,3.1,概述,土的渗透性及渗透规律,

3、渗流量,三维渗流及流网,渗水压力,渗透力与渗透变形,渗透变形,渗流滑坡,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,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,一渗流中的水头与水力坡降,三渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,四层状地基的等效渗透系数,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,地基的渗透系数,3.2,土的渗流性与渗透规律,?,?,?,?,水头与水力坡降,渗流的驱动能量,土的渗透试验与,达西定律,反映渗流特点的定律,渗透系数的测定,及影响因素,土的渗透性,层状地基的等效,渗透系数,地基的渗透系数,土的渗透性与渗透规律,2.2,土的渗

4、流性与渗透规律,位置：,使水流从位置势能,水往低处流,水往高处“跑”,高处流向位置势能低处,速度,v,流速：,水具有的动能,压力：,水所具有的压力势能,压力,u,也可使水流发生流动,水流动的驱动力,3.2,土的渗流性与渗透规律,?,位置势能：,?,压力势能：,p,mgz,mg,?,p,?,动能：,?,w,质点,A,质量,m,压力,p,流速,?,0,基准面,1,mv,2,2,?,w,p,?,总能量：,1,2,E,?,mgz,?,mg,?,?,mv,?,w,2,v,h,?,z,?,?,?,w,2g,p,2,z,0,?,单位重量水流的能量：,称为总水头，是水流动,的驱动力,水流动的驱动力,-,水头,

5、2.2,土的渗流性与渗透规律,?,位置水头：,到基准面的竖直距离，,代表单位重量的液体从基准面算起,所具有的位置势能,p,0,?,p,a,B,A,静水,p,B,?,w,p,A,?,w,?,压力水头：,水压力所能引起的自由,水面的升高，表示单位重量液体所,具有的压力势能,?,测管水头：,测管水面到基准面的垂,直距离，等于位置水头和压力水头,之和，表示单位重量液体的总势能,?,在静止液体中各点的测管水头相等,z,B,0,基准面,z,A,0,位置、压力和测管水头,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,一渗流中的水头与水力坡降,板桩墙,基坑,透水层,不透水层,A,L,B,渗流为水体的

6、流动，应满,足液体流动的三大基本方,程：连续性方程、能量方,程、动量方程,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,一渗流中的水头与水力坡降,总水头,单位质量水体所具有的能量,h,?,z,?,p,2,?,?,v,w,2,g,z,：位置水头,p/,w,：压力水头,V,2,/(2g),：,流速水头0,总水头：,h,?,z,?,p,?,w,A,点总水头：,h,A,1,?,z,A,?,p,?,w,p,A,h,?,w,p,B,h,A,A,?,w,z,h,B,A,L,B,z,B,0,基准面,0,水力坡降：,i,?,?,h,B,点总水头：,L,h,B,2,?,z,B,?,p,?,h,1,?,h

7、,2,?,?,h,w,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透试验与达西定律,1.,渗透试验,?,试验前提：,层流,?,试验装置：,如图,?,试验条件,:,h,1,，,A,，,L=const,?,量测变量,:,h,2,，,Q,，,t,?,试验结果,h=h,1,-h,2,q=Q/t,h,，,q,A,，,q,q,?,A,?,h,L,，,q,L,Q,h,1,h,2,L,A,h,Q,透水石,基准面,断面平均流速,v,?,q,A,v,?,i,水力坡降,i,?,?,h,L,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透试验与达西定律,3.,达西定律,渗透定

8、律,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,i,1,时的渗流速度,单位：,mm/s, cm/s, m/s, m/day,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，并与土的性质有关。,注意：,v,?,i,v,?,k,?,i,A,V,：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,V,s,：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A,v,n,?,A,A A,v,A,v,q,VA,V,s,A,v,v,v,?,v,s,?,n,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透试验与达西定律,3.,达西定律,适用条件,层流（线性流）,

9、v,大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较,重的粘性土,两种特例,v,cr,粗粒土：,砾石类土中的渗流不符合达西定律,砂土中渗透速度,v,cr,=,0.3-0.5cm/s,v,粘性土：,致密的粘土,ii,0, v=k(i - i,0,),?,?,?,ki,m,?,cr,(,m,?,1,),0,i,?,?,?,k,(,i,?,i,0,),0,i,0,i,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透系数的测定及影响因素,1.,测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,室内试验测定方法,野外试验测定方法,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透

10、规律,三,.,渗透系数的测定及影响因素,1.,测定方法,?,室内试验方法,1,常水头试验法,?,试验装置：,如图,?,试验条件,:,h,，,A,，,L=const,?,量测变量,:,V,，,t,?,结果整理,V=Qt=vAt,v=ki,k,?,VL,i=h/L,A,?,ht,适用土类：,透水性较大的砂性土,?,h,土样,L,Q,A,三,.,渗透系数的测定及影响因素,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,1.,测定方法,常水头法仅适用于：,透水性较大的砂性土,透水性较小的粘性土,?,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

11、=const,?,量测变量,:,h,，,t,t=t,1,?,h,1,dh,?,h,t=t,2,?,h,2,Q,细玻,土样,L,璃管,开关,A,a,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透系数的测定及影响因素,1.,测定方法,?,室内试验方法,2,变水头试验法,?,理论依据,:,t,时刻：,h,t,dh,流入量,：,dV,e,= - adh,流出量：,连续性条件：,dV,dV,o,=kiAdt=k (,h/L)Adt,e,=dV,o,-adh =k (,h/L)Adt,dt,?,?,aL,dh,kA,?,h,?,t,dt,?,?,aL,?,h,2,dh,aL,?,h,

12、0,kA,?,?,h,1,?,h,t,?,1,kA,ln,?,h,2,k,?,aL,?,h,1,At,ln,?,h,2,?,结果整理,:,选择几组,h,1,h,2, t,，计算相应的,k,，取平均值,t=t,1,?,h,1,t,t+,t=t,t,2,?,h,2,Q,水头,土样,L,测管,开关,A,a,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透系数的测定及影响因素,?,室内试验方法,常水头试验,条件,已知,测定,算定,取值,适用,h=const,1.,测定方法,变水头试验,h,变化,a,，,A,，,L,h,，,t,aL,?,h,1,k,?,ln,At,?,h,2,h,，

13、,A,，,L,V,，,t,VL,k,?,A,?,ht,重复试验后，取均值,粗粒土,不同时段试验，取均值,粘性土,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,三,.,渗透系数的测定及影响因素,?,野外测定方法,抽水试验和注水试验法,1.,测定方法,观察井,实验方法：,理论依据：,A=2,rh,i=dh/dr,Q,?,Aki,?,2,?,rh,?,k,dh,dr,Q,dr,r,?,2,?,khdh,Q,ln,r,2,2,2,r,?,?,k,(,h,2,?,h,1,),1,k,?,Q,ln(,r,2,/,r,1,),?,h,2,2,2,?,h,1,2,抽水量,Q,r,r,r,1,dh,d

14、r,井,h,h,2,地下水位,测压管水面,h,1,不透水层,优点：可获得现场较为可,靠的平均渗透系数,缺点：费用较高，耗时较长,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,是土中孔隙直径大小的主要影,响因素,?,因由粗颗粒形成的大孔隙可被,细颗粒充填，故土体孔隙的大,小一般由细颗粒所控制。因此，,土的渗透系数常用有效粒径,d,10,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,来表示，如哈臣公式：,k,?,c,?,d,10,2,渗透系数的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,是单位土体中孔隙体积的直接,度量,?,对于砂性土，常

15、建立孔隙比,e,与渗透系数,k,之间的关系，如：,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,k,?,f,(,e,),e,k,?,f,(,),1,?,e,3,e,k,?,f,(,),1,?,e,2,2,渗透系数的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,对粘性土，影响颗粒的表面力,?,不同粘土矿物之间渗透系数相差,极大，其渗透性大小的次序为高,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,岭石,伊里石,蒙脱石,；当粘土,中含有可交换的钠离子越多时，,其渗透性将越低,?,塑性指数,Ip,综合反映土的颗粒大,小和矿物成份，常是渗透系数的,参数,渗透系数

16、的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,影响孔隙系统的构成和方向性，,对粘性土影响更大,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,?,在宏观构造上，天然沉积层状,粘性土层，扁平状粘土颗粒常,呈水平排列，常使得,k,水平,k,垂直,?,在微观结构上，当孔隙比相同,时，凝聚结构将比分散结构具,有更大的透水性,渗透系数的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,干容重,?,d,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,max,?,1,絮状结构,分散结构,W,op,渗,透,系,数,k,含水量,w,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,含水量,w,渗

17、透系数的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,土的性质,?,粒径大小及级配,?,水的动力粘滞系数：,?,孔隙比,?,矿物成分,?,结构,?,水的性质,温度,?,，水粘滞性,?,，,k,?,?,饱和度（含气量）：封闭气,泡对,k,影响很大，可减少有效,渗透面积，还可以堵塞孔隙,的通道,渗透系数的影响因素,2.2,土的渗流性与渗透规律,天然土层多呈层状,?,确立各层土的,k,i,?,根据渗流方向确定等效渗流系数,等效渗透系数,多个土层用假想单一土层置换，,使得其总体的透水性不变,层状地基的等效渗透系数,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,h,?,已知条件,:,i,i,?,i,?,L,H,?,?

18、,H,1,q,1x,q,2x,q,3x,1,z,k,1,2,?,h,x,H,1,H,2,H,3,H,i,?,达西定律,:,q,x,=v,x,H=k,x,i H,q,ix,=,k,i,i,i,H,i,k,2,k,3,?,等效条件,:,q,x,?,?,q,ix,2,不透水层,等效渗透系数,:,1,k,x,?,?,k,i,H,i,H,层状地基的水平等效渗透系数,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,已知条件,:,v,i,?,v,?,h,?,?,?,h,i,H,?,?,H,i,?,h,z,k,1,k,2,k,3,H,1,x,?,达西定律,:,v,i,= k,i,(,h,i,/ H,i,),v = k,z,

19、(,h,/ H,),?,等效条件,:,v,i,H,i,?,h,i,?,k,i,vH,?,?,h,?,k,z,vH,?,h,?,k,z,H,2,H,3,H,?,h,i,?,?,v,i,H,i,k,i,H,k,z,?,H,i,?,k,i,承压水,等效渗透系数,:,层状地基的垂直等效渗透系数,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,算例说明,H,1,?,1,.,0,m,H,2,?,1,.,0,m,H,3,?,1,.,0,m,k,1,?,0,.,01,m,/,day,k,2,?,1,m,/,day,k,3,?,100,m,/,day,i,x,k,1,k,2,k,3,z,H,1,H,2,H,H,3,k,x,k

20、,H,?,?,i,H,?,33,.,67,m,/,day,按层厚加权平均，由较大值控制,k,z,?,?,H,?,0,.,03,m,/,day,H,i,k,i,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,土的渗透性与渗透规律,四,.,层状地基的等效渗透系数,水平渗流情形,条件,q,?,?,q,i,;,H,?,?,H,i,;,?,h,i,i,?,i,?,L,垂直渗流情形,q,1,?,q,2,?,.,?,q,;,v,1,?,v,2,?,.,?,v,;,?,h,?,?,h,i,;,H,?,?,H,i,已知,等效,H,1,H,2,.;,k,1,.,H,1,H

21、,2,.;,k,1,k,2,.,?,h,v,?,k,z,i,?,k,z,H,H,k,z,?,H,i,?,k,i,q,?,k,x,iH,1,k,x,?,?,k,i,H,i,H,推定,对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗,透性相差悬殊时,与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性,与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性,2.2,土的渗流性与渗透规律,?,水头与水力坡降,?,渗透试验与达西,定律,?,渗透系数的测定,及影响因素,?,层状地基的等效,渗透系数,?,总水头,=,位置水头,+,压力水头,?,水头是渗流的驱动力,?,达西定律,?,渗透系数、渗透速度,?

22、,达西定律的适用条件,?,常水头试验,?,变水头试验,?,抽水试验,?,渗透系数影响因素,?,水平等效渗透系数,?,垂直等效渗透系数,结,小,3,土的渗透性和渗流问题,3.2,平面渗流与流网,一,.,平面渗流的基本方程及求解,1.,基本方程,h,恒定,稳定渗流,与时间无关,h,h=h(x,z), v=v(x,z),?,平面问题：,渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变,化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。,对平面问题，常取,dy=1m,单位宽度的一片来进行分析,连续性条件,达西定律,平面渗流的基本方程,z,v,x,?,v,z,v,z,?,dz,?,z,?,v,x,v,x,?

23、,dx,?,x,假定：,k,x,?,k,z,Laplace,方程,v,z,x,3,土的渗透性和渗流问题,?,连续性条件,3.2,平面渗流与流网,?,v,z,v,z,?,dz,?,z,一,.,平面渗流的基本方程及求解,1.,基本方程,?,单位时间流入单元的水量,:,dq,e,?,v,x,dz,?,v,z,dx,?,单位时间内流出单元的水量,:,?,v,x,?,v,z,dq,o,?,(,v,x,?,dx,),dz,?,(,v,z,?,dz,),dx,?,x,?,z,?,v,x,?,v,z,?,连续性条件,:,dq,e,?,dq,o,?,?,0,?,x,?,z,z,v,x,?,v,x,v,x,?,d

24、x,?,x,v,z,x,?,达西定律,?,h,v,x,?,k,x,;,?,x,?,假定,k,x,?,k,z,?,h,v,z,?,k,z,?,z,?,h,?,h,k,x,2,?,k,z,2,?,0,?,x,?,z,2,2,?,h,?,h,?,2,?,0,2,?,x,?,z,2,2,特点,与,k,x, k,z,无关,Laplace,方程,满足它的是两个共轭调合函数,势函数和流函数,描述渗流场内部的测管水头的分布，,是平面稳定渗流的基本方程式,3,土的渗透性和渗流问题,一,.,平面渗流的基本方程及求解,3.2,平面渗流与流网,3.,求解方法,基本方程,边界条件,定解条件,确定渗流场内各点的,测管水头

25、,h,的分布,2.3,平面渗流与流网,?,?,?,?,数学解析法或近似解析法：,求取渗流运动方程,在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定,条件下，求其近似解,数值解法：,有限元、有限差分、边界元法等，,近年来得到迅速地发展,电比拟试验法：,利用电场来模拟渗流场，简便、,直观，可以用于三维问题和三维问题,流网法：,简便快捷，具有足够的精度，可分析,较复杂断面的渗流问题,渗流分析的方法,3,土的渗透性和渗流问题,三,.,流网的绘制及应用,3.2,平面渗流与流网,?,流,网,渗流场中的两族相互正交曲线,等势线和流线所形成的,网络状曲线簇。,?,流,线,水质点运动的轨迹线。,?,等势线,测管水头相同

26、的点之连线,。,?,流网法,通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,h,H,0,2.3,平面渗流与流网,?,在流场中，流线和等势线（等,水头线）组成的网格称为流网,v,l,?,+d,?,?,?,?,+d,?,?,流线和等势线正交,?,流网中应使相邻流线间的流,函数差和相邻等势线间的势,函数（水头）差不变,s,?,流网中每一网格的边长比为,常数，通常取为,1,d,?,v,x,dx,?,v,z,d,z,v,?,l,l,?,?,?,d,?,?,v,z,dx,?,v,x,d,z,v,?,s,s,流网及其特性,2.3,平面渗流与流网,1,）确定边界条件：边界流,线和首尾等势线,2,）研究水流的

27、方向：流线,的走向,3,）判断网格的疏密大致分,布,4,）初步绘制流网的雏形：,正交性、曲边正方形,5,）反复修改和检查,?,H=H,1,-H,2,a,H,1,b,e,c,d,f,H,2,s,l,0,g,不透水层,h,要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习,流网的画法,3,土的渗透性和渗流问题,三,.,流网的绘制及应用,3.2,平面渗流与流网,A,绘制方法,根据渗流场,的边界条件,确定边界流线,和首尾等势线,h,l,H,s,0,l,B,s,D,C,0,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线,等势线,反复修改，调整,一个高精度的流网图，需经过,多次的修改后才能完成。,精度较高的流网图,3,土

28、的渗透性和渗流问题,三,.,流网的绘制及应用,3.2,平面渗流与流网,流网特点,H,s,0,?,与上下游水位变化无关,h=const,；,?,与,k,无关；,?,等势线上各点测管水头,h,相等。,l,l,h,s,2.3,平面渗流与流网,?,测管水头,h,?,水力坡降,i,?,?,h,/,l,H,1,H,1,?,H=H,1,-H,2,?,h,?,h,?,q,?,q,?,h,?,q,）,?,?,w,?,确定孔压,（,h,?,h,z,?,确定流速,?,确定流量,f,H,2,v,?,k,?,i,0,?,q,H,1,-,?,h,H,1,-2,?,h,不透水层,?,h,?,q,?,k,?,s,i,?,k,

29、?,?,h,l,i,q,?,M,?,?,q,?,M,?,k,?,?,h,流道数,流网的应用,2.,孔隙水压力,渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点测压管中的水柱高度,h,ua,乘以水的容,重,?,w,。故,a,点的孔隙水压力为,u,a,h,ua,?,w,。,应当注意，图中所示,a,、,b,两点位于同,一根等势线上，其测管水头虽然相同，即,h,ua,h,ub,，但其孔隙水压力却不同,u,a,u,b,。,3.,水力坡降,流网中任意网格的平均水力坡降,i,?,h/,?,l,?,l,为该网格处流线的平均,长度。,由此可知，流网中网格越密处，其水力坡降越大。故图中，下游坝趾水流渗出,地面处,(,图中,CD

30、,段,),的水力坡降最大。该处的坡降称为逸出坡降，常是地基渗透,稳定的控制坡降。,4.,渗透流速,各点的水力坡降已知后，渗透流速的大小可根据达西定律求出，,即,v,ki,，,其方向为流线的切线方向。,5.,渗透流量,流网中任意两相邻流线间的,单宽流量,?,q,是相等的，因为：,当取,?,s,?,l,时，,?,q,k,?,h,h,?,?,q,?,vA,?,ki,?,s,?,1,?,k,?,l,?,s,通过坝底的总单宽流量,q,M,?,q,Mk,?,h,(,M,流网中的流槽数）,通过坝底的总渗流量,Q,qL,(,L,为坝基长度,),典型流网分析,接近坝底，流线密集，水,力梯度大，渗透速度大,远离坝

31、底，流线稀,疏，水力梯度小，,渗透速度小,2.3,平面渗流与流网,?,连续性方程,?,运动方程,?,平面渗流的基,本方程及求解,?,边界条件,?,求解方法,流网的绘制及,?,势函数,应用,?,流函数,?,流网及特性,?,流网的画法,?,流网的应用,小,结,?,第三章：土的渗透性和渗流问题,3.1,3.2,3.3,3.4,概述,?,土的渗透性与渗透规律,?,平面渗流与流网,?,渗透力与渗透变形,?,渗透力,?,临界水力坡降,?,渗透变形（渗,透破坏）,3.4,渗透力与渗透变形,?,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

32、骨架产生一个摩,擦、拖曳力。,贮水器,h,w,L,土样,a,b,h,h,1,h,2,0,滤网,0,渗流力,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,渗透力,-,试验观察,3.4,渗透力与渗透变形,a,b,渗透力,j,：体积力,贮水器,h,w,h,h,1,土样,土粒,0,L,h,2,0,滤网,渗,流,渗透力,j,：单位土体内土骨架（土,颗粒）所受到的渗流作用力。,渗透力,-,试验观察,3.4,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,a,b,贮水器,h,w,L,0,滤网,土样,?,土水整体受力分析,-,静水,P,1,=,?,w,h,w,截面积,A=1,G,G =,L,?,sa

33、t,L(,?,?,+,?,w,),P,2,=,?,w,h,2,R = ?,h,2,0,R + P,2,= G + P,1,R +,?,w,h,2,=,L(,?,+,?,w,) +,?,w,h,w,R =,?,?,L,水、土受力分析,方法一,取土,水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力：,(1),土,水总重量,W,?,sat,L,；,(2),土柱两端的边界水压力,?,w,h,w,和,?,w,h,1,；,(3),土柱下部滤网的支,承反力,R,。,在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中,不出现。,水、土受力分析,方法二,把土骨架和水分开来取隔离体。,作用在土骨架隔离体上的力：,

34、(1),土粒有效重量,W,?,L,；,(2),总渗透力,J,jL,方向竖直向上；,(3),下部支承反力,R,。,作用在孔隙水隔离体上的力：,(1),孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。,W,w,V,v,?,w,+ V,S,?,w,?,w,L,(2),土柱两端的边界水压力,?,w,h,w,和,?,w,h,1,；,(3),土柱内土粒对水流的阻力，其大小应和,渗透力相等，方向相反。则总阻力,J,j,L,。,渗透力的计算,考虑水体隔离体的平衡条件，可得：,用土水整体隔离体,推导临界水力坡降,？,?,w,h,w,?,w,w,?,J,?,?,w,h,1,?,w,h,w,?,L,?,w,?,j,L,?,?,w,

35、h,1,?,w,(,h,1,?,h,w,?,L,),?,w,?,h,j,?,?,?,?,w,i,L,L,故渗透力,j,=,j,=,?,w,i,渗透力是一种体积力，量纲与,?,w,相同。渗透力的大小和水力坡降成,正比，其方向与渗流方向一致。,3.4,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,a,b,?,土水整体受力分析,-,渗流,P,1,=,?,w,h,w,截面积,A,贮水器,h,w,L,土样,h,h,1,h,2,0,滤网,G,=,L,?,sat,L(,?,?,+,?,w,),P,2,=,?,w,h,1,R = ?,0,R + P,2,=,+ P,1,R +,?,w,h,1,=,L(,?,+,?,

36、w,) +,?,w,h,w,R=,（,?,?,L -,?,w,?,h,）,3.4,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,a,b,?,土水整体受力分析,-,对比,?,静水中的土体,R =,?,?,L,R =,（,?,?,L -,?,w,?,h,）,?,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？,总渗透力：,J=,?,w,?,h,贮水器,h,w,L,土样,h,h,1,h,2,0,滤网,0,?,渗透力,j,：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j = J/V =,?,w,?,h,/,L =,?,w,i,3.4,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,土水,=,土骨架

37、,+,孔隙水,?,土水隔离受力分析,?,土骨架受力分析：,有效重量：,?,=,L,?,总渗透力：,J=Lj,滤网的反力：,R,?,孔隙水受力分析：,水压力：,P,1,=,?,w,h,w,P,2,=,?,w,h,1,总渗透力：,J,?,=J,水重,+,浮力反力：,平衡条件：,P,1,?,= +,J,R,孔隙水受力平衡,P,1,w,J,?,P,2,P,2,R,j =,?,w,i,R =,?,?,L-,?,w,?,h,w,=,V,v,?,w,+,V,s,?,w,=,L,?,w,土骨架受力平衡,3.4,渗透力与渗透变形,?,物理意义：,单位土体内土骨架所受到的,渗透水流的拖曳力，它是一种体积力,大小：

38、,j =,?,w,i,方向：,与水力坡降方向一致,作用对象：,土骨架,渗透力的性质,?,?,?,3.4,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,a,b,?,临界水力坡降,向上渗流存在时，滤网支持,力减少。当滤网支持力为零,时的水力坡降称为,临界水力,坡降,i,cr,，它是土体开始发生,流土破坏时的水力坡降：,R =,（,?,?,L -,?,w,?,h,）,=0,i,cr,=,?,h/L =,?,/,?,w,贮水器,h,w,L,土样,h,h,1,h,2,0,滤网,0,(,d,s,?,1),?,w,由于,?,?,?,1,?,e,d,s,?,1,i,cr,?,1,?,e,i,cr,取决于土,的物理性

39、质,渗透力,-,受力分析,3.4,渗透力与渗透变形,?,?,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或,破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工,建筑物发生破坏的常见类型,基本类型：,?,管涌,?,流土,单一土层渗透变形,?,接触流土,的两种基本型式,?,接触冲刷,渗透变形,3.4,渗透力与渗透变形,?,流土：,在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗,粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水,力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,坝体,粘性土,k,1,k,2,渗流,砂性土,k,2,?,原因：,i,?,i,cr,?,?,G,s,?,1,i,cr,?,?,?,?,1,?,e,与

40、土的密实度有关,渗透变形,-,流土,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开,挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、,粉土等较易发生流土破坏,3.4,渗透力与渗透变形,?,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和,无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这,一水力条件，均要发生流土：,?,i i,cr,:,土体处于稳定状态,?,i i,cr,:,土体发生流土破坏,?,i = i,cr,:,土体处于临界状态,i,cr,?,工程设计：,i,?,?,i,?,?,F,s, i :,允许坡降,F,s,:,安全系数,1.52.0,流土可能性的判别,3.4,渗透力与

41、渗透变形,?,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通,过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与,地表贯通的管道,过程演示,坝体,渗流,2.,孔隙不断扩大，渗流,1.,3.,在渗透水流作用下，,形成贯穿的渗流通道，,速度不断增加，较粗,细颗粒在粗颗粒形成,造成土体塌陷,颗粒也相继被水带走,的孔隙中移动流失,?,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,渗透变形,管涌,3.4,渗透力与渗透变形,土是否会发生管涌，取决于土的性质：,?,粘性土（分散性土例外）属于非,管涌土,?,无粘性土中发生管涌必须具备相,应的,几何条件,和,水力条件,管涌可能性的判别

42、,?,3.4,渗透力与渗透变形,?,无粘性土管,涌的判别,?,几何条件,?,水力条件,?,发生管涌的,必要条件,：粗颗,粒所构成的孔隙,直径大于细颗粒,直径,%,),骨架,充填料,P,(,lgd,级配,孔隙及细粒,判定,较均匀土,粗颗粒形成的,（,Cu,?,10,）,孔隙小于细颗粒,非管涌土,细粒含量,35%,非管涌土,不均,不连续,细粒含量,25%,管涌土,匀土,细粒含量,=25-35%,过渡型土,（,Cu10,）,连续,d,0,d,3,非管涌土,d,0,d,5,管涌土,0,=0.25d,d,20,d,0,= d,3,-d,5,过渡型土,3.4,渗透力与渗透变形,?,无粘性土管,涌的判别,?

43、,几何条件,?,水力条件,?,渗透力能够,带动细颗粒在孔,隙间滚动或移动。,可用管涌临界水,力坡降表示,伊斯托敏娜（苏）,i,cr,C,1.5,u, 20,时,i,cr,=0.25-0.30,，,1.0,考虑安全系数后：,i=0.10-0.15,0.5,0,0 5 10 15 20 25 30 35,C,u,流土,过渡,管涌,中国学者,水力坡降,级配连续土,级配不连续土,破坏坡降,i,cr,0.20-0.40,0.1-0.3,允许坡降,i,0.15-0.25,0.1-0.2,3.4,渗透力与渗透变形,流土,现象,土体局部范围的颗粒同时,发生移动,管涌,土体内细颗粒通过粗粒形成,的孔隙通道移动,

44、可发生于土体内部和渗流,溢出处,一般发生在特定级配的,无粘性土或分散性粘土,位置,只发生在水流渗出的表层,土类,只要渗透力足够大，,可发生在任何土中,破坏过程短,历时,后果,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,导致下游坡面产生局部滑动等,流土与管涌的比较,3.4,渗透力与渗透变形,?,防治流土,i,cr,i,?,?,i,?,?,F,s,?,减小,i,：上游延长渗径,下游减小水压,防渗体,坝体,浸润线,?,增大,i,：,下游增加透水,盖重,透水层,不透水层,?,防治管涌,?,改善几何条件：设反滤层等,?,改善水力条件：减小渗透坡降,渗透变形的防治措施,渗透破坏的防治措施,流砂现象防治原则：,1,）减小或消除水头差,原地下水位,明沟排水,原水位面,一级抽水后水位,二级抽水后水位,多级井点降水,渗透破坏的防治措施,2,）增加渗流路径,钢板桩,3,）在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平