土力学_第3章(土渗透性及土有效应力)

1、主要内容：土的渗透性和渗透规律研究对象：饱和土体“管涌”渗漏一、土的渗透性（1）水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动 的现象，称为水的渗透（2）土体被水透过的性能，称为土的渗透性。（3）土的渗透对工程会产生两个问题： （a）渗漏问题； （b）渗透稳定性问题二、达西定律及其适用范围（1）土中水的渗流渗流：水在土体孔隙中流动的现象。渗流：水在土体孔隙中流动的现象。（清华土力学）水流渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。 （冯国栋土力学）水头：单位重量的水所具有的能量。水力梯度（坡降）：单位流程总水头的变化单位流程总水头

2、的变化AhAzwAuLBhhBwuBz总水头线总水头势水头压力水头动水头最关心的不是水头而是水头差！gvuZhw22wuZhLhLhhiBA土中的水沿着流线方向每前进s的距离，就要有- h的水头损失。（2）Darcy定律定律 （法国工程师，1856年提出）渗透系数，单位：cm/sA 截面积式中：式中：v v 渗透速度渗透速度(m/s)(m/s)； i i 水头（力）梯度水头（力）梯度； k k 渗透系数渗透系数(m/s)(m/s)； Q Q 渗透流量渗透流量(m(m3 3/s)/s) A A 截面积。截面积。 AikQikvAQv 渗透速度渗透速度水头梯度水头梯度渗透流量渗透流量（3）Darc

3、y定律适用范围定律适用范围（v-i）这种线性关系，只适用于层流层流 渗透速度大时不适用（临界速度ver） 对于密实的粘性土，坡降（i）小 时也不适用（起始坡降 i o）。砂土和粘性土的渗透规律砂土和松散粘性土在粗粒土中（砾石、卵石和碎石），渗透速度大，线性关系不适用。mikvDarcy定律的表达式为：定律的表达式为：摘自清华-土力学)(oiikvDarcy定律的表达式为：定律的表达式为：三、渗透系数测定方法及影响因素（1）测定方法室内试验常 水 头变 水 头10-3cm/s的砂土渗透系数测定现场试验注水试验抽水试验10-3cm/s的砂土常水头试验装置 土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a

4、 试验开始储水管水头为h0 经过时间t后降为h1 时间dt内水头降低dh，水量为： 变水头渗透试验示意图 变水头渗透试验另外： adhdQAdtLhkkiAdtdQ)/(k 10-3cm/s（b）中等透水层： K 10-3 10-5 cm/s（c）弱透水层（相对不透水层）： K 10-6cm/s渗透系数参考渗透系数参考值（来源？）值（来源？）利用渗透系数判断土层的透水性（2）影响因素 土颗粒的粒径、级配和矿物成分（大） 土的结构和构造 孔隙比或孔隙率（大） 水的动力粘滞度 土的饱和度？210cdk d10含量小于10%的粒径，cm；c经验系数，40-150之间。kelg（摘自：清华-土力学）（

5、3）层状土的渗透性 x方向的平均渗透系数KxyacoxbHH1H2H3k1k2k3A)(1332211HkHkHkHKx321qqqqxy方向的平均渗透系数Ky321qqqqy332211kHkHkHHKy水平方向由最大的一水平方向由最大的一层渗透系数决定，垂层渗透系数决定，垂直方向由最小的一层直方向由最小的一层渗透系数决定。渗透系数决定。四、渗流作用下土的应力状态（摘自：土力学冯国栋，p39）（1）静水条件下土的有效应力与中性应力HhaAhHWsatw)(a点的总应力a点的静水压强a点的有效应力孔隙水压力，也叫中性应孔隙水压力，也叫中性应力力土的强度和变形的变化都只取决于有效应力的变化而不是

6、总应力。hHsatw)(hHuwuhhwsat)(（清华-土力学，96页）（2）渗透力wij12Hha定义：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力为渗透力 j。 体积力，单位：kn/m3 渗流流过土体，土颗粒对水流产生阻力，造成水头损失h。公式推导请见清华土力学，p56-57（B）渗流向上时的a点有效应力12Hhawhhkhvhih/（3）渗流作用下土的有效应力（A）渗流向下流动时的a点有效应力whhkhvhih/12Hha渗透力J流土示意图五、渗流对工程稳定性造成的破坏渗透变形渗透变形（1）主要有：流沙（土）和管涌 （2）定义及产生的条件流土：在向上的渗透水流作用下，表层土均布范围内的土体或颗粒群

7、同时发生悬浮、移动的现象。 管涌：在渗流水流作用下，土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，渗透流速不断增加，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管道，造成土体坍塌。向上渗流向上渗流 土 颗 粒 接 触 点 悬 浮 状 态 12Hha流沙（土）临界坡降wiVVwcri/ 1/wsatcri临界坡降 icr：使土体开始产生破坏（渗透变形）的水力坡降渗透变形发生的条件 内因：土的颗粒与结构（几何条件）； 外因：水力条件，作用于土体渗透力的大小。向下的重力向上的渗透力J管涌的临界坡降通过经验和实验总结得出管涌的临界坡降： 其中，d为被冲动的细颗粒粒径，一般小于d5d3，单位 cm； n为砂砾料的孔隙率； k为砂砾料的渗透系数，单位 cm/s。3nkdicr六、流网及工程中的渗流场计算流线等势线（水头相等）（1）流网：将水流和水头用实线（流线）或虚线（等势线）绘制出来，形成网格状的图形，表示土体中的渗流场。浸润线（2）工程）工程中的渗流场计算中的渗流场计算工程中的渗流场计算一般采用数值计算方法进行。工程中的渗流场计算一般采用数值计算方法进行。计算软件有：计算软件有：ANASY 2DFLOW 3DFLOW 73.209 69.817 66.426 63.035 59.644 56.252 52.8