土力学3章_土的渗透性及渗流

1、土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 第三章第三章碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性1 概述概述能量差能量差渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线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渗水压力渗水压力扬压力扬压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层

2、透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流量渗流量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Q渗流量渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗透问题渗透问题 渗流量渗流量渗透破坏渗透破坏如何控制如何控制一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降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ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线gvpzhw22wAApzh1wBBpzh2hhh21 wpzhLh

3、i 总水头总水头单位质量水体所具有的能量单位质量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头p p/ /w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：土中渗流是有水头差或水力梯度引起的。土中渗流是有水头差或水力梯度引起的。二二. . 渗透试验与渗透试验与达西定律达西定律试验前提：试验前提：层流层流h，Q A，Q L， QLhAQ 断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降AQv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=

4、const量测变量量测变量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/Tikv 粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s。 适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm ikv 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定

5、方法野外试验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1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const量测变量量测变量: : h ，t透水性

6、较小的粘性土透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdVi= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVi=dVo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 2121hhtthdhkAaLdt2112lnhhkAaLtt2112ln)(hhttAaLk选择几组选择几组h1, h2, t1 ，t2,计算相应的计算相应的k，取平均值，取平均值 野外测定方法野

7、外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ212212 212212hh)r/rln(Qk 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比（密实度）孔隙比（密实度）矿物成分矿物成分结构结构构造构造土土粒粒特特性性、流流体体

8、特特性性）(fk 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 l水的动力粘滞系数（水的温度）水的动力粘滞系数（水的温度）l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡四四. .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确立各层的确立各层的k ki i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H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :Lhiii ixxqq iHH等效渗透系数等效渗透系数ki: :qx=vxH=kxiHq

9、x=qix=kiiiHi iixHkH1kH1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:vvi ihh iHH等效渗透系数等效渗透系数k kx x: :vi = ki (h hi i/ /Hi)iiikvHh zkvHh iizkvHkvH iizkHHk)k1HH(k1iiz3 平面渗流与流网平面渗流与流网 zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 连续性条件连续性条件zxkk 假定：假定： hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流h=h(x,z), v=v(x,z)取单宽：取单宽： dy=1与时间无关与时间

10、无关达西定律达西定律平面渗流的基本方程平面渗流的基本方程 1. 基本方程基本方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 与与kx, kz无关无关满足它的是两个共轭调合函数满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数势函数和流函数 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律zxkk 假定假定 dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程n 特点特点描述渗流场内部的测管水头的分布，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是平

11、面稳定渗流的基本方程式一一. . 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 确定渗流场内各点的确定渗流场内各点的测管水头测管水头h的分布的分布基本方程基本方程边界条件边界条件定解条件定解条件二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 (求解拉普拉斯方程）求解拉普拉斯方程） 流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的等势线和流线所形成的网络状曲线簇。网络状曲线簇。 流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。 等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。 流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求

12、解渗流问题。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。Hh0 基本要求基本要求1. 正交性：流线与等势线必须正交正交性：流线与等势线必须正交Hh0lsls2. 各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1c=1，即为曲边正方形即为曲边正方形3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。ABCDlsHh h00ls 绘制方法绘制方法一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性

13、正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图按比例画出按比例画出剖面图剖面图 流网特点流网特点等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等。相等。各个流槽的渗流量相等各个流槽的渗流量相等相邻等势线之间的水头损失相等相邻等势线之间的水头损失相等Hh0lsls 测管水头测管水头 h h 实际应用实际应用l /Hi ）（zhhiiikv dfdfifdiiiNNHkNHkNqNqNHkhkslhkq; 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量 水力坡降水力坡降HH0lsls4 4 渗透力与渗透变形

14、渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力 试验观察hh=0 =0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。hh0 0 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骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 J 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。渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP下下P上上水柱隔离体水柱隔离体wGwwwwswvwLAVVVG水柱重力水柱

15、重力 土粒对水流的阻力土粒对水流的阻力T=渗流力渗流力J水界压力水界压力wwwhPhP1下上，h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b总阻力总阻力wTLAT T平衡条件平衡条件iJiTAhTGhAwwwwwwww1渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力J= wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流土、流砂流土、流砂管涌、潜蚀管涌、潜蚀土工建筑物及地基由于

16、渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 流土流土流砂流砂在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象criiJW0和土的密实程度有关n)1)(1(11sscrdedi渗流渗流原因：原因：1.1. 基本类型基本类型 管涌管涌潜蚀潜蚀原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无

17、粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，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。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。管涌管涌破坏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2.2.形成条件形成条件 scrFiii Fs: 安全系数安全系数1.