tlxdjjc3土力学与地基基础第三章土的渗透性与渗流

1、土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l本章将主要讨论水在土体中的渗透性及本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力及渗透变形等问渗透规律，以及渗透力及渗透变形等问题。题。 l通过本章学习，掌握土的渗透性通过本章学习，掌握土的渗透性（达西（达西定律），定律），掌握水头、测管水头、水力坡掌握水头、测管水头、水力坡降的概念，熟悉渗透系数的测定方法，降的概念，熟悉渗透系数的测定方法，特别是层状地基的等效渗透系数的确定。特别是层状地基的等效渗透系数的确定。学会应用二维渗流流网确定测管水头、学会应用二维渗流流网确定测管水头、孔隙水压力、水力坡降、渗透速

2、度和渗孔隙水压力、水力坡降、渗透速度和渗透流量。透流量。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。渗透是水头差作用下，水透过土体孔隙渗透是水头差作用

3、下，水透过土体孔隙的现象。土允许水透过的性能称为土的的现象。土允许水透过的性能称为土的渗透性。渗透性。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l一、渗流中的总水头与水力坡降一、渗流中的总水头与水力坡降l前提：流体是连续介质，流体是不可压缩的，流体前提：流体是连续介质，流体是不可压缩的，流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 l断面积分别为断面积分别为w1和和 w2、流速分别为、流速分别为v1和和v2断面断面处：处：土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.091212

4、wwv dwv dw1 122vw vwl上式表明：上式表明：通过稳定总流任意过水断面的流量通过稳定总流任意过水断面的流量相等；或稳定总流过水断面平均流速与过水断相等；或稳定总流过水断面平均流速与过水断面面积成反比。面面积成反比。l水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 l饱和土体空隙中的渗透水流饱和土体空隙中的渗透水流 ，用水头的概念来，用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。研究水体流动中的位能和动能。1 12 2wvwv土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l理想重力的能量方程式（伯努利方程式理想重力

5、的能量方程式（伯努利方程式1738年年瑞士数学家应用动能定理推导出来的）。瑞士数学家应用动能定理推导出来的）。l饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中程，并用水头的概念来研究水体流动中l的位能和动能。的位能和动能。 cgvrpz22土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.0922wuvrghz 液流中一点液流中一点的的总水头总水头h，可以用可以用位置位置水头水头z，压力压力水头水头u/rw和和流速水头流速水头v2/2g之和表之和表示，即：示，即：水头：实际上就是单位重量水水头：实际上就

6、是单位重量水体所具有的能量。体所具有的能量。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09la,b两点的总水头可分别表示为：l 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l1. 1956年，达西利用试验装置，对砂土的渗流年，达西利用试验装置，对砂土的渗流性进行了研究性进行了研究 。下图：达西渗透试验装置。下图：达西渗透试验装置 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l研究中发现水在土中的渗流速度与试样两端面间的水头差研究中发现水在土中的渗流速度与试样两端面间的水头差成正比，而与渗流长度

7、成反比，于是他把渗流速度表示为：成正比，而与渗流长度成反比，于是他把渗流速度表示为：l这就是著名的达西定律，这就是著名的达西定律，l式中式中v：表示断面平均渗透速度，单位：表示断面平均渗透速度，单位：mm/slk：渗透系数，（：渗透系数，（mm/s）其物理意义是当水力坡降）其物理意义是当水力坡降i=1时的时的渗透速度。渗透速度。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l达西定律说明：达西定律说明：l（1）在层流状态的渗流中，渗流速度）在层流状态的渗流中，渗流速度v与与水力坡降的一次方成正比，并与土的性质水力坡降的一次方成正比，并与土的性质有关。或砂土的渗

8、透速度与水力坡降呈线有关。或砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系。性关系。l（2）但对于密实的粘土，由于吸着水具有）但对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。将一开始渗透时的水后，才能发生渗透。将一开始渗透时的水力坡降称为粘性土的起始水力坡降力坡降称为粘性土的起始水力坡降i。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水力坡降超过起始

9、坡降后，渗透速度与水力坡降力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈线性关系。的规律还偏离达西定律而呈线性关系。l 式中：式中： 指密实粘土的起始水力坡降。指密实粘土的起始水力坡降。0i砂土和粘性土的渗透规律砂土和粘性土的渗透规律 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石，试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石，卵石），在较大的水力坡降下，水在土卵石），在较大的水力坡降下，水在土中的流动即进入紊流状态，渗透速度与中的流动即进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律水力坡降呈非线性关系，此时达

10、西定律不能适用。不能适用。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l对于粗颗粒的砾、卵石对于粗颗粒的砾、卵石土，只有在小的水力坡土，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力降下，渗透速度与水力坡降才呈直线关系，而坡降才呈直线关系，而在较大的水力坡降下，在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，力坡降呈非线性关系，此时达西定律同样不能此时达西定律同样不能适应，可用下式表示适应，可用下式表示 vkim土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l用达西定

11、律计算出的渗用达西定律计算出的渗透速度不是水在土中的透速度不是水在土中的渗透速度，而是一个假渗透速度，而是一个假想的平均速度，因为它想的平均速度，因为它假定水在土中的渗透是假定水在土中的渗透是通过整个土体截面进行通过整个土体截面进行的，而实际上，渗透水的，而实际上，渗透水不仅仅通过土体中的孔不仅仅通过土体中的孔隙流动，因此，隙流动，因此，水在土水在土中的实际平均流速要比中的实际平均流速要比用达西定律所求得的数用达西定律所求得的数值大得多值大得多 aqv 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l（1）土中水的渗透速度即为其实际流动速度。）土中水的渗透速度即

12、为其实际流动速度。（ ）l1）什么是达西定律？写出其表达式？说明其）什么是达西定律？写出其表达式？说明其中字符的含义。中字符的含义。 l（7）达西渗透）达西渗透定律的适用条件是什么？砂土、粗粒土（指卵石、砾石等）、粘性土的渗透定律有何不同，绘图示意。用达西定律计算出的渗透速度是不是孔隙水在水中的真实的渗透流速，它们在物理概念上有何区别？ 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l（一）、渗透系数的测定和影响因素渗渗透透系系数数的的测测定定方方 法法 实验室测定法实验室测定法 现场测定法现场测定法 常水头测定法常水头测定法 变水头试验法变水头试验法 适用于透

13、水性大适用于透水性大的砂性土的砂性土 适用于透水性小的适用于透水性小的粘质土和枌质土粘质土和枌质土 实测流速法实测流速法 抽水法抽水法 注水法注水法 色素法、电解质法、色素法、电解质法、食盐法食盐法 降低水位法：平衡法，降低水位法：平衡法，不平衡法、水位恢复法不平衡法、水位恢复法 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l抽水试验是工程地质勘察中查明建筑场地的地层渗透性，测定有关水文地质参数常用的方法之一。一般钻孔或探井简易抽水，可用于粗略估计弱透水层的渗透系数；不带观测孔的抽水可初步判断含水层的渗透系数；而要较准确地求得含水层的各种参数，需要带观测孔的抽

14、水试验。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l抽水孔抽水孔(井井)位置应根据试验的目的，结合场地水文地质位置应根据试验的目的，结合场地水文地质条件、地形地貌条件等，布置在有代表性的地段。观条件、地形地貌条件等，布置在有代表性的地段。观测孔应围绕抽水孔布置测孔应围绕抽水孔布置12排，首先应布置在与地下水排，首先应布置在与地下水流向相垂直的方向上；当布置两排时，另一排应布置流向相垂直的方向上；当布置两排时，另一排应布置在平行地下水流向的方向上在平行地下水流向的方向上(图图8-16)。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009

15、.09l计算参透系数计算参透系数kl对于均质等厚、无限边界的完整井，当对于均质等厚、无限边界的完整井，当测得井中水位降深测得井中水位降深sw和影响半径和影响半径r时时 l对承压水：对承压水：l潜水： wsrmqkwln2wwrhhqkln)(22土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09（二）影响渗透系数的因素（二）影响渗透系数的因素影影响响渗渗透透系系数数的的因因素素土的粒度成分和土的粒度成分和矿物成分的影响矿物成分的影响 孔隙比对渗透系数孔隙比对渗透系数的影响的影响 土的结构构造的影响土的结构构造的影响 结合水膜厚度的影响结合水膜厚度的影响 土中气体的影

16、响土中气体的影响 土的颗粒大小，形状及级配土的颗粒大小，形状及级配，影响土中孔隙大小及形状，影响土中孔隙大小及形状，因而影响渗透性。因而影响渗透性。孔隙比的影响，主要决定于孔隙比的影响，主要决定于土体中的孔隙体积，而孔隙土体中的孔隙体积，而孔隙体积又决定于孔隙的直径大体积又决定于孔隙的直径大 小，决定于土粒大小和级配。小，决定于土粒大小和级配。 天然土层通常不是各向同性的天然土层通常不是各向同性的竖直方向的渗透系数与水平方竖直方向的渗透系数与水平方向的渗透系数相差很大。向的渗透系数相差很大。 当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞水的渗流，从而降低渗透性。水的渗流，从

17、而降低渗透性。 粘性土中若土粒的结合水膜较厚时，粘性土中若土粒的结合水膜较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l二、层状地基的等效渗透系数二、层状地基的等效渗透系数l天然沉积土往往是由渗透性不同的土层所组天然沉积土往往是由渗透性不同的土层所组l成。其中以与土层层面平行和垂直的简单渗流情成。其中以与土层层面平行和垂直的简单渗流情况最典型。况最典型。l水平渗流情况：水平渗流情况：l知地基内各层土的渗透系数分别为

18、知地基内各层土的渗透系数分别为k1，k2，k3,kn，厚度分别为，厚度分别为h1，h2，hn，总厚度，总厚度为为h。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l沿水平方向的等效渗透系数沿水平方向的等效渗透系数kxl竖直渗流情况竖直渗流情况 ：l沿竖直方向的等效渗透系数沿竖直方向的等效渗透系数ky土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质的渗透系数和厚度以及两只要渗透介质的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介质内的流端的水头或水头

19、差为已知，介质内的流动特征均可根据达西定律确定。动特征均可根据达西定律确定。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l在工程上遇到的渗流问在工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得题，边界条件要复杂得多，水流形态往往是多多，水流形态往往是多个方向的，例如常见开个方向的，例如常见开挖基坑的渗流（图挖基坑的渗流（图3-5），），这时，介质内的流动特这时，介质内的流动特性常逐点不同，并且只性常逐点不同，并且只能以微分方程的形式表能以微分方程的形式表示，然后根据边界条件示，然后根据边界条件进行求解。进行求解。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地

20、基基础2009.09l一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程l设从稳定渗流场中任取一微分单元土体，其面积设从稳定渗流场中任取一微分单元土体，其面积为为dxdy，如图若单位时间内在，如图若单位时间内在x方向流入单元体的方向流入单元体的水量为水量为qx，流出的水量为，流出的水量为 ，在，在y方向流入方向流入l水量为qy，流出的水量为 。xxqdxxq yyqdyyq土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l假定在渗流作用下单元的体积保持不变，假定在渗流作用下单元的体积保持不变，水又是不可压缩的，则单位时间内流入水又是不可压缩的，则单位时间

21、内流入单元体的总水量必等于流出的总水量，单元体的总水量必等于流出的总水量，即即)(yxxyxyqqqdxdyxyqqq土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l根据达西定律，根据达西定律，qx=kxixdy , qy=kxiydx；其中；其中x和和y 方向的水力坡降分别为方向的水力坡降分别为 l将上列关系式代入上式中并经简化后可得 22220yxhhdyxykkxhxiyhiy0yxqqdxdyxyl这就是各向异性土在稳定渗流时的连续方程。这就是各向异性土在稳定渗流时的连续方程。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09

22、l如果土是各向同性的，即如果土是各向同性的，即kx=ky,则上式可改则上式可改写成：写成：l这就是著名的拉普拉斯方程这就是著名的拉普拉斯方程 ,是描述稳定渗是描述稳定渗流的基本方程式流的基本方程式。 22220hhdxdyxy土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l二、流网的特征及应用二、流网的特征及应用l满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线。满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线。就渗流而言，一组曲线称为等势线，在任一条就渗流而言，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的势能是等。等势线上各点的势能是等。l只有满足边界条件的流线和等势线的组合形

23、式只有满足边界条件的流线和等势线的组合形式才是拉普拉斯方程的正确解答。才是拉普拉斯方程的正确解答。 l等势线和流线示意图等势线和流线示意图土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l流网即为一族流网即为一族流线流线和和等势线等势线交织而成的网格，交织而成的网格，根据水力学，具有下列特征：根据水力学，具有下列特征：l(1)流线和等势线彼此正交；流线和等势线彼此正交；l(2)每个网格的长宽比值为常数，这时的网格每个网格的长宽比值为常数，这时的网格就成为正方形或曲线正方形；就成为正方形或曲线正方形；l(3)相邻等势线的水头损失相等；相邻等势线的水头损失相等；l(4

24、)各流糟的渗流量相等各流糟的渗流量相等。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l流网绘出后，即可求得渗流场中各点的流网绘出后，即可求得渗流场中各点的测管水头，水力坡降，渗透流速和渗流测管水头，水力坡降，渗透流速和渗流量量。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l1测管水头测管水头l水头损失水头损失l式中：式中： ：上，下游水位差：上，下游水位差 l n：等势线间隔数：等势线间隔数l n:等势线数等势线数 l :每一条等势线间隔所消耗的水头每一条等势线间隔所消耗的水头l从而可求流网中任一点的测管水头从而可求流网中任一

25、点的测管水头1hhnnhhhuzhh土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l2.孔隙水压力孔隙水压力u l渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管中的水柱高度中的水柱高度hu乘以水的容重乘以水的容重rwl3水力坡降水力坡降l 流网中的任意网格的平均水力坡降：流网中的任意网格的平均水力坡降：l 为该网格处流线的平均长度，可见为该网格处流线的平均长度，可见 减小则流减小则流网网格越密。网网格越密。 l uwruhhlill土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l4渗透速度

26、渗透速度l各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根据各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根据达西定律求出：即达西定律求出：即vki，其方向为流线在该点的，其方向为流线在该点的切线方向。切线方向。l5渗透流量渗透流量l单宽流量：单宽流量：l ：流网网格的宽度：流网网格的宽度 l 即相邻流线间的单宽流量相等。即相邻流线间的单宽流量相等。 l通过坝下渗流区的总单流量：通过坝下渗流区的总单流量：l通过坝底的总渗流量：通过坝底的总渗流量： hslqk ssl hqk qm qmk hq mk hlqql土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l当kx ky 时 ，

27、l但对各向异性土，即但对各向异性土，即kx ky时，时，l将上式两边同除以将上式两边同除以ky,得得l令：l则：l 22220hhxy22220 xyhhkkxy22220()yxhhkyxk22220hhxyyxkxkx 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l可见：对于各向异性土，只要把水平坐标可见：对于各向异性土，只要把水平坐标xl乘以比例尺乘以比例尺 转换新坐标转换新坐标x，同时保，同时保l持持y的比例尺不变，就会按各向同性土来处的比例尺不变，就会按各向同性土来处理。由此绘得的流网称变态流网。理。由此绘得的流网称变态流网。l利用变态正交流网求渗流

28、量：利用变态正交流网求渗流量：yxkkehqk ehqmkexyk kk土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l渗流所引起的变形（稳定）问题一般可归渗流所引起的变形（稳定）问题一般可归结为两类：结为两类：l一类是土体的局部稳定问题。这是由于渗一类是土体的局部稳定问题。这是由于渗透水流将土体中的细颗粒冲出，带走或局透水流将土体中的细颗粒冲出，带走或局部土体产生移动，导致土体变形而引起的部土体产生移动，导致土体变形而引起的渗透变形渗透变形。l另一类是整体稳定问题。这是在渗流作用另一类是整体稳定问题。这是在渗流作用下，整个土体发生滑动或坍塌。下，整个土体发生滑

29、动或坍塌。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09堤堤 岸岸 19981998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江60006000余处余处险情中就有险情中就有400400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。 一般来说，长江中下一般来说，长江中下 游平原冲积地层，上面是粘性土；往游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。砾及卵石等强

30、透水层，在河床中露头与河水相通。 在汛期高水在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生管涌。情况下），从而发生管涌。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09 2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联

31、络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l1.渗透力演示试验渗透力演示试验 l将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为曳力称为渗透力渗透力。l渗透试验示意图渗透试验示意图l 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l(1)当当a与与b水平平齐时，则无水平平齐时，则无渗流发生渗流发生;l(2)若将若将b提升，则提

32、升，则b内的水就内的水就透过砂样透过砂样a从溢水口流出。提从溢水口流出。提得越高，水流越快。得越高，水流越快。l(3)当当b提升到某一高度时，可提升到某一高度时，可看到砂土出现像沸腾那样的看到砂土出现像沸腾那样的现象（砂沸）设水下土颗粒现象（砂沸）设水下土颗粒有效重力为有效重力为w（土粒重力与（土粒重力与水的浮力之差），竖直向上水的浮力之差），竖直向上的渗透力为的渗透力为j，则土粒实际合，则土粒实际合力力rwj。l当当jw时，时，r0，土粒处于，土粒处于悬浮状态，出现上述现象。悬浮状态，出现上述现象。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l2渗流时的受力

33、分析渗流时的受力分析l从渗流场中取一流网格（土体）从渗流场中取一流网格（土体）abcd, l见下图：（见下图：（a)挡土墙平面渗流场挡土墙平面渗流场 (b)单元单元体中的侧压管水头体中的侧压管水头 (c)单元体孔隙水压力单元体孔隙水压力分布图分布图土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09lab，dc为等势线，为等势线，ad，bc为流线，网格为流线，网格l长为长为l，宽为，宽为b，（两边，（两边h0相等，因为相邻两流相等，因为相邻两流线）线）：流线：流线ad与水平线夹角。与水平线夹角。l(1) 土体整体受力分析土体整体受力分析l以网格以网格ab，cd整体作为

34、分析对象，网格土体整体作为分析对象，网格土体上作用力有：上作用力有：lwrsatbl1, rsat 为饱和土体自重（土粒为饱和土体自重（土粒重与孔隙水重之和）；重与孔隙水重之和）；lfw1, fw2, fw3, fw4, 为周围土体中孔隙水作为周围土体中孔隙水作用在网格边界上的孔隙水压力；用在网格边界上的孔隙水压力；lfs1,fs2,fs3,fs4 为周围土颗粒作用在网格边界为周围土颗粒作用在网格边界上的粒间压力；上的粒间压力；lts1,ts2,ts3,ts4 为周围土颗粒作用在网格边界为周围土颗粒作用在网格边界上的粒间剪力。上的粒间剪力。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学

35、与地基基础2009.09l(2) 孔隙水体的受力分析孔隙水体的受力分析lgrwvrwlb1 为孔隙水重为孔隙水重力及浮力的反作用之和力及浮力的反作用之和;lfw1fw2= (h1h2)b1 为为ab，cd面上孔隙水压力合力，平行水流方向面上孔隙水压力合力，平行水流方向;lfw3fw4=h0l,为为ad，b面上孔面上孔隙水压力合力，与水流方向垂直。隙水压力合力，与水流方向垂直。l设土粒对水流的阻力为设土粒对水流的阻力为js，沿水流方向，沿水流方向分量为分量为jst，垂直水流方向分量为，垂直水流方向分量为jsnl取水流方向的力的平衡，可得取水流方向的力的平衡，可得:土力学与地基基础土力学与地基基础

36、土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l因为：l所以：l即在垂直流向的分量即在垂直流向的分量jsn0，也是水流阻力，也是水流阻力js=jst与流线方向重合。与流线方向重合。l取水流方向力的平衡，可得取水流方向力的平衡，可得l 34)cos0(wwsnfjgfcosohb12()sin0wwsffjg34000()cos()0osnwwwwawwhffgr h l r lr h l r h lbj土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l则：l渗流对土粒的渗透力与阻力渗流对土粒的渗透力与阻力js大小相等，方向大小相等，方向相反，得相反，得:1212)

37、21()sin()/1swwwwawjffgr hh br l hhhrbh wjrbh 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l单位体积土体内土粒所受到的单位渗透力j为:ilhblbhvjjwww1土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l3渗透力的特征与计算渗透力的特征与计算l渗透力具有以下特征：渗透力具有以下特征：l(1)渗透力是一种体积力，量纲为渗透力是一种体积力，量纲为kn/m3l(2)渗透力与水力坡降成正比渗透力与水力坡降成正比 l(3)渗透力方向与渗流方向一致。渗透力方向与渗流方向一致。l当渗流场中各个

38、网格的水力坡降当渗流场中各个网格的水力坡降i求得后，应求得后，应用式用式 可确定单位渗透力可确定单位渗透力 ；网格总；网格总的渗透力的渗透力 ；其方向与流向一致。；其方向与流向一致。l整个流场的总渗透力矢量整个流场的总渗透力矢量j即为各网格渗透力即为各网格渗透力的矢量和。的矢量和。wjr iwjr iiwjr iiiiijjbi土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l（2）渗透力是一种）渗透力是一种 力。它的大小和力。它的大小和 成正比，作用方向与成正比，作用方向与 相一致。相一致。l（3）渗透力的含义及计算公式）渗透力的含义及计算公式是是 。 土力学与

39、地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l（5）在渗流场中某点的渗透力（）在渗流场中某点的渗透力（a ）l a 随水力坡降（水力梯度）增加而增随水力坡降（水力梯度）增加而增加；加；b 随水力坡降（水力梯度）增加而随水力坡降（水力梯度）增加而减小；减小；c 与水力坡降无关。与水力坡降无关。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l土工建筑及地基由于渗透作用而出现或土工建筑及地基由于渗透作用而出现或破坏称为渗透变形或渗透破坏。破坏称为渗透变形或渗透破坏。l(一一)渗透变形的类型渗透变形的类型l按照渗透水流所引起的局部破坏的特征，按

40、照渗透水流所引起的局部破坏的特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式。但就土本身性质来说，只有管涌和式。但就土本身性质来说，只有管涌和非管涌之分。非管涌之分。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09渗渗透透变变形形的的类类 型型 流土流土 管涌管涌 流土是指在向上渗流作用下，流土是指在向上渗流作用下，局部土体表面隆起，或者颗粒局部土体表面隆起，或者颗粒群同时起动而流失的现象。它群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。流溢出处。 管涌是指在渗流作用下土体中管涌是指在渗流作用下

41、土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙道中发生移动并被带走的现象。道中发生移动并被带走的现象。管涌土分为危险性管涌土和非管涌土分为危险性管涌土和非管涌性土。管涌性土。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l(二二)土的临界水力坡降土的临界水力坡降l1流土型的临界水力坡降流土型的临界水力坡降l现从渗流溢出处取一单位土体，则该单位土体现从渗流溢出处取一单位土体，则该单位土体上有土体本身的有效重量上有土体本身的有效重量rl以及竖直向上的渗透力l当竖向渗透力等于土体的有效重量时，即r=j，土体就处于流土的临界状态。若设这时的水力坡降为icr,

42、则根据上述条件苛求得：l 或l wjr iedgws1) 1()1)(1(ndiscrediscr11土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l因此只要我们将渗流溢出处的水力坡降，因此只要我们将渗流溢出处的水力坡降，l即溢出坡降即溢出坡降ic求出，就可判别流土的可能性：求出，就可判别流土的可能性：l当当icicr, 则土体处于稳定状态则土体处于稳定状态l当当ic=icr, 则土体处于临界状态则土体处于临界状态l当当icicr, 则土体处于流土状态则土体处于流土状态l溢出坡降溢出坡降ic实际上不可能求出的，通常是把渗实际上不可能求出的，通常是把渗流溢出处的流

43、网网格的平均水力坡降作为溢出流溢出处的流网网格的平均水力坡降作为溢出坡降的。坡降的。l通常要求将溢出坡降通常要求将溢出坡降ic限制在容许坡降限制在容许坡降i之内，之内，即即 式中式中fs 为流土安全系数为流土安全系数 chil crcsiiif土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l2管涌型土的临界水力坡降管涌型土的临界水力坡降l发生管涌的临界水力坡降目前尚无合适的发生管涌的临界水力坡降目前尚无合适的公式可循。公式可循。l主要根据试验时肉眼观察细颗粒的移动现主要根据试验时肉眼观察细颗粒的移动现象和借助于水力坡降象和借助于水力坡降i与流速与流速v之间的变化

44、来之间的变化来判断管涌是否出现。判断管涌是否出现。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l(1)临界水力坡降与不临界水力坡降与不均匀系数的关系均匀系数的关系l按不均匀系数把土划按不均匀系数把土划分为流土型，过渡型分为流土型，过渡型和管涌型三类。和管涌型三类。l土的不均匀系数与临土的不均匀系数与临界水力坡降成反比。界水力坡降成反比。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l(2)临界水力坡降与细料含量的关系临界水力坡降与细料含量的关系 l土的渗透变形性主要取决于细料的含量，土的渗透变形性主要取决于细料的含量，或者说取

45、决于细料充填粗料孔隙的程度。或者说取决于细料充填粗料孔隙的程度。l(3)临界水力坡降与渗透系数的关系临界水力坡降与渗透系数的关系l一般说来，渗透系数越大，则临界水力一般说来，渗透系数越大，则临界水力坡降越小。坡降越小。 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l土类按下列方式进行判别：土类按下列方式进行判别：l天然无粘性土：天然无粘性土：l较均匀的土较均匀的土 ：流土型：流土型l（cu5）土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l不均匀的土（不均匀的土（cu5） ：l级配不连续：级配不连续：l p 35 流土流土l p

46、 25 管涌管涌lp（2535） 过渡过渡lp为细粒含量（小于分布曲线中对应粒径的颗粒含量）为细粒含量（小于分布曲线中对应粒径的颗粒含量） l 级配连续：级配连续：ld0d3 流土流土ld0d5 管涌管涌ld0 =d3d5 过渡过渡土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l防治流沙防治流沙的关键在于控制逸出处的水力的关键在于控制逸出处的水力坡降，为了保证实际的逸出坡降不超过坡降，为了保证实际的逸出坡降不超过允许坡降，水利工程上常采取下列工程允许坡降，水利工程上常采取下列工程措施：措施：土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009

47、.09l（1）上游做垂直的防渗帷幕，如混凝土）上游做垂直的防渗帷幕，如混凝土防渗墙、板桩或灌浆帷幕等；（防渗墙、板桩或灌浆帷幕等；（2）上游）上游做水平防渗铺盖，以延长渗流途径，降做水平防渗铺盖，以延长渗流途径，降低下游的逸出坡降；（低下游的逸出坡降；（3）下游挖减压沟）下游挖减压沟或打减压井，贯穿渗透性小的粘性土层，或打减压井，贯穿渗透性小的粘性土层，以降低作用在粘性土层底面的渗透压力；以降低作用在粘性土层底面的渗透压力；（4）下游加透水盖重，以防止土体被渗）下游加透水盖重，以防止土体被渗透力所悬浮。透力所悬浮。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l

48、防止管涌防止管涌一般可从下列两方面采取措施：一般可从下列两方面采取措施：（1）改变水力条件，降低土层内部和渗）改变水力条件，降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降；（流逸出处的渗透坡降；（2）改变几何条）改变几何条件，在渗流逸出处铺设层间关系满足要件，在渗流逸出处铺设层间关系满足要求的反滤层，是防止管涌破坏的有效措求的反滤层，是防止管涌破坏的有效措施，反滤层一般是施，反滤层一般是13层级配较为均匀层级配较为均匀的砂子和砾石层。的砂子和砾石层。土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09l防渗处理措施防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物渗流处理措施 水工

49、建筑物的防渗工程措施一般以水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形透变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: :延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗等均属于垂直截渗 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.09设置水平铺盖设置水平铺

50、盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土

51、力学与地基基础2009.09排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽减压井或深挖排水槽 土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础土力学与地基基础2009.092.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求