我的土力学1-第三章

1、海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 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海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习要点学习要点第三章：土的渗透性和渗流问题第三章：土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗透规律土的渗透性和渗透规律渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律）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）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对物理

2、概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点注意把握土是散粒多孔介质这一特点 海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.1 3.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n 土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量高的点向能量低的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性海纳百川

3、海纳百川 有容乃大有容乃大透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3.1 3.1 概述概述- - 渗流问题渗流问题防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗透破坏？渗透破坏？3. 渗透力？渗透力？海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流3.1 3.1 概述概述- - 渗流问题渗流问题渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗透破坏？渗透破坏？3. 渗水压力？渗水压力？透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大渗流问题：渗流问题：1. 渗流量渗流量Q？

4、2. 降水深度？降水深度？透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q3.1 3.1 概述概述- - 渗流问题渗流问题海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 地下水影响地下水影响 范围？范围？渠道、河流渗流渠道、河流渗流3.1 3.1 概述概述- - 渗流问题渗流问题原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.1 3.1 概述概述- - 渗流问题渗流问题降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡渗流问题：渗流问题：1. 渗透力？渗透力？2. 入渗过程？入渗过程？海纳百川海纳百

5、川 有容乃大有容乃大 渗流量渗流量 扬压力扬压力 渗水压力渗水压力 渗透破坏渗透破坏 渗流速度渗流速度 渗水面位置渗水面位置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性土的渗透特性3.1 3.1 概述概述- - 土渗流特性土渗流特性海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题第二章：土的渗透性和渗

6、流问题海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律F水头与水力坡降水头与水力坡降F土的渗透试验与土的渗透试验与达西定律达西定律F渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素F层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力

7、u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能。所具有的位置势能。n 压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能。具有的压力势能。n 测管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂

8、测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头直距离，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。之和，表示单位重量液体的总势能。n 在静止液体中各点的测管水头相等在静止液体中各点的测管水头相等3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAu zBwBu 基准面基准面静水静水海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 位置势能：位置势能：mgzwumg n 压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzwu n 动能：动能：2mv212wmv21umgmgzE n 总能量：总能量：2g

9、vuzh2w 称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力n 单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力 - 水头水头海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3

10、.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律ABLhAzAwAu 基准面基准面g2vuzh2w wuzh n 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力） 流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）n 渗流的总水头：渗流的总水头：渗流问题的水头渗流问题的水头也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水头高处流

11、向水头低处头高处流向水头低处海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大wBBBuzh A A点总水头：点总水头：3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水力坡降水力坡降ABLhAhBzAwAu wBu zBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线wAAAuzh B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失BAhhh 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失Lhi 海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大达西渗透试验达西渗透试验3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性

12、与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验LhAQ或：或：iAkQ 其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大ikAQv达西定律达西定律3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律n 达西定律：达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n 渗透系数渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡

13、降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/dayn 渗透速度渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度渗流速度nvvvs其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律n 适用条件：层流适用条件：层流: :粘性流体的互不混掺的层状运动粘性流体的互不混掺的层状运动n紊流紊流: :速度、压强等流动要素随时间和空速度、压强等流动要素随时间和

14、空间做随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混间做随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。掺的流体运动。可用雷诺数进行判断可用雷诺数进行判断 ：h10dvReRe5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动） 岩土工程中的绝大多数渗岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形在粗粒土孔隙中，水流形态可能

15、会随流速增大呈紊态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达流状态，渗流不再服从达西定律。西定律。0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水力坡降水力坡降流速流速 (m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时：ivoi0n 两种特例两种特例 对致密

16、的粘性土，存在起始水力对致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i i0 0 ？ivovcr)1m(kivm )(1mkivmii0, v=k (i - i0 )海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大室内试验方法室内试验方法- -常水头试验法常水头试验法n 试验条件试验条件: : h，A，L=constn 量测变量量测变量

17、: 体积体积V，tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk hL土样土样AVQ海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大室内试验方法室内试验方法- -变水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件: :h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量: h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大土样土

18、样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律室内试验方法室内试验方法- -变水头试验法变水头试验法21hhAtaLkln选择几组量测结果选择几组量测结果 ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大室内试验方

19、法室内试验方法小结小结3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层n 试验条件试验条件: : Q=constn 量测变量量测变

20、量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长观察井观察井海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2 rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQn 计算公式：计算公式：r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层dhdrh地下水位地下水位测压管水面测压管水面现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验海纳百川海纳百川 有容乃大有容

21、乃大n 是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影响因素响因素n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式：210dck3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的影响因素 海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体

22、中孔隙体积的直接度量度量n 对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk3223.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，影响颗粒的表面力n 不同粘土矿物之间渗透系数相差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极大，其渗透性大小的次序为高岭石岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石 ；

23、当粘土；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低其渗透性将越低n 塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 影响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大对粘性土影响更大n 在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平

24、状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n 在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构3.2 3.2

25、 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律渗透系数的影响因素 n 水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数： 温度温度 ，水粘滞性，水粘滞性 ，k n 饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比

26、 矿物成分矿物成分 结构结构海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律等效渗透系数等效渗透系数: :

27、 iixHkH1kkxn 已知条件已知条件: :LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律 iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh iiiizkHvhhkvHn 已知条件已知条件: :n 达西定律达西定律: :n

28、 等效条件等效条件: :v = kz (h / H )等效渗透系数等效渗透系数: :海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大n 算例说明算例说明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xz海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大层状地基的等效

29、渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效公式公式LhiiHHqqiii;.;,121kHHiHkqxiixHkH1kii21HHhhvvv;.,.;,2121kkHHHhkikvzziizkHHk海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.2 3.2 土的渗流性与渗透规律土的渗流性与渗透规律小小 结结n 水头与水力坡降水头与水力坡降n 渗透试验与达西渗透试验与达西定律定律n 渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素n 层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数 总水头总水头

30、=位置水头位置水头+压力水头压力水头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱动力 达西定律达西定律 渗透系数、渗透速度渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 抽水试验抽水试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 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海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗

31、透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力- -试验观察试验观察n h=0 h=0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。n h0 h0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：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的作用力，方向与渗流方向一致海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力

32、渗透力- -试验观察试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大截面积截面积A=13.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗透力渗透力- -受力分析受力分析WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整体

33、受力分析土水整体受力分析- -静水静水海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力- -受力分析受力分析截面积截面积A=1WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- -渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力- -受力分析受力分析R = L - w hn

34、土水整体受力分析土水整体受力分析- 对比对比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网支持力减少网支持力减少R = L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力：总渗透力： J=J= w w h hF 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力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 = wi海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少。力减少。当滤网支持力为零当滤网支持力为零时的水力坡降称为

35、时的水力坡降称为临界水力临界水力坡降坡降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：流土破坏时的水力坡降：3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力- -受力分析受力分析渗透力渗透力- -受力分析受力分析R = L - w h=0n 临界水力坡降临界水力坡降h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr = h/L = / we11Gws)(e11Giscr由于由于icr取决于土取决于土的物理性质的物理性质海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大= + WW Ww土水土水 = 土骨架土骨架 + 孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水隔离受力

36、分析土水隔离受力分析3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力- -受力分析受力分析渗透力渗透力- -受力分析受力分析R = L- w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W =L 总渗透力：总渗透力：J=Lj滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压力：水压力：P1= whw P2 = wh1总渗透力：总渗透力：J =J水重水重+浮力反力：浮力反力： Ww =Vv w+Vs w=L w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j = wi土骨架受力平衡土骨架受力平衡海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大渗透力的性质渗透力的性质F物理意义：物理意义：

37、单位土体内土骨架所受到的单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F大小：大小： j = j = w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或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建筑物发生破坏的常见类型n基本类

38、型：基本类型： 管涌管涌 流土流土 接触流土接触流土 接触冲刷接触冲刷渗透变形渗透变形单一土层渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式的两种基本型式海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透变形渗透变形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，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，都可发生流土破坏力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流crii

39、 e11GiscrF 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大坝体坝体3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透变形渗透变形 管涌管涌F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，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地表贯通的管道渗流渗流过程演示过程演示1. 在渗透水流作用下，在渗透

40、水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡

41、面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 scrFiiiFs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降F i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设

42、计：流土可能性的判别流土可能性的判别n 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和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：一水力条件，均要发生流土：海纳百川海纳百川 有容乃大有容乃大3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 n 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非粘性土（分散性土例外）属于非管涌土管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相无粘性土中发生管涌必须具备相应的应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能