课件-土的渗透及有效应力原理

1、 土的渗透及有效应力原理土的渗透及有效应力原理p土的渗透定律土的渗透定律p渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法p饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理p渗透变形及防治措施渗透变形及防治措施主要内容主要内容土土的的渗透定律渗透定律 当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中。 在水头差作用线，水透过土孔隙的现象。在水头差作用线，水透过土孔隙的现象。 土允许水等液体透过的性质。土允许水等液体透过的性质。渗透研究的内容：渗透研究的内容： 1. 渗流量。渗流量。 2. 渗透变形渗透变形(渗透破坏渗透破坏) 3. 渗流控制渗流控制水

2、头：水头：按照伯努里方程，液流中一按照伯努里方程，液流中一点的点的总水头由三部分组成总水头由三部分组成： 1. 位置水头位置水头 z 2. 压力水头压力水头 u/ w 3. 流速水头流速水头 v2/2gn 水头及水力坡降水头及水力坡降 1.1. 水头水头为了研究的方便，用为了研究的方便，用水头水头的概念来表的概念来表征水的能量。征水的能量。由于土中渗流阻力大，流速由于土中渗流阻力大，流速 v v 在一般情况下都很小，可以忽略。在一般情况下都很小，可以忽略。h=z + u/ w +v2/2g: i= h/L i 称为水力坡降，称为水力坡降，L为两点间的渗流路径。为两点间的渗流路径。其物理意义：单

3、位渗流长度上的水头损失其物理意义：单位渗流长度上的水头损失2.2.水力坡降水力坡降 土土的的渗透定律渗透定律n 达西定律达西定律 达西根据对不同尺寸的圆筒和不达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量现，渗出量Q与圆筒断面积与圆筒断面积A和水力和水力坡降坡降i成正比，且与土的透水性质有成正比，且与土的透水性质有关。即关。即LhAQkAiQ kiAQv写成等式为：写成等式为：上式称为达西定律。上式称为达西定律。 式中，式中，v断面断面，单位，单位mm/s或或m/day； k反映土的透水性能的比例系数，称为反映土的透水性能的比例系数，称为

4、。它相当于。它相当于水力水力 坡降坡降i1时的渗透速度时的渗透速度，故其量纲与流速相同，故其量纲与流速相同，mm/s或或m/day。土土的的渗透定律渗透定律并不是土孔隙中水的并不是土孔隙中水的。 定义定义实际平均渗流速度为实际平均渗流速度为v vs s，也称渗透流速，也称渗透流速 达西定律的适用范围达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即与与成线性关系只成线性关系只。在土木工程中，。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土

5、中，均介于层流范围，故达西定律均可适用故达西定律均可适用nvvvs AAnv A AvqVA VsAv为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速，即渗流速度为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速，即渗流速度 Vs是否是真实的流速？是否是真实的流速？土土的的渗透定律渗透定律 (1)土的粒度成分土的粒度成分(粒径大小与级配粒径大小与级配)和矿物成分的影响；和矿物成分的影响； (2)土的结构土的结构； (3)土中气体的影响；土中气体的影响； (4)渗透水的性质对渗透系数的影响渗透水的性质对渗透系数的影响蜂窝结构蜂窝结构絮状结构絮状结构密实状态密实状态疏松状态疏松状态渗透系数及其确定方法渗

6、透系数及其确定方法 k（cm/s）土类土类透水性评价透水性评价102101.010-110-210-310-410-510-610-710-810-9很好很好均匀砂均匀砂裂隙粘土裂隙粘土好好砂砾混合砂砾混合风化粘土风化粘土很细砂很细砂粉土粉土带夹层粘土带夹层粘土不好不好几乎不透水几乎不透水均匀粘土均匀粘土表表3-2 渗透系数渗透系数 k 的一般范围的一般范围渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法n 渗透系数的测定渗透系数的测定 是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，算时必须用到的一个基本参数。不同

7、种类的土，k 值差别很大。因此，值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (1)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。 实验室测定法实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为上大体可分为常水头法常水头法和和变水头法变水头法两种。两种。 现场测定法现场测定法 现场研究场地的渗透性，进行渗透系数现场研究场地的渗透性，进行渗透系

8、数k值测定时，常用现场并值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。孔抽水试验或井孔注水试验的方法。 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法常用于粗粒土，如粗、中砂和砾石等渗透系数大于常用于粗粒土，如粗、中砂和砾石等渗透系数大于10-4cm/s的土的渗透系数测定。其仪器设备简图见图的土的渗透系数测定。其仪器设备简图见图3-5（70型渗透仪）。型渗透仪）。 为保证试样的饱和，试样首先宜真空饱和，试验用为保证试样的饱和，试样首先宜真空饱和，试验用水为脱气水。记录一定时间间隔水为脱气水。记录一定时间间隔 t 的渗流量的渗流量 Q，并用下，并用下式计算渗透系数：式计算渗透系数： （cm/s）

9、 式中：式中：Q 时间时间 t 秒内渗透水量，秒内渗透水量，cm3； L 相邻测压孔间试样高度，相邻测压孔间试样高度，cm； A 试样断面积，试样断面积，cm2； h , 平均水头差，平均水头差，cm；h1 和和 h2见图见图3 5。AhtQLkT221hh 图图 常水头试验常水头试验 kiLhkAQqv 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法这种这种试验设备型式有多种，试验设备型式有多种，其基本原理如图其基本原理如图3-6所示。适所示。适用于细粒土，如粉细砂、粉用于细粒土，如粉细砂、粉土和粘土的渗透系数测定。土和粘土的渗透系数测定。试验前也宜用真空法饱和土试验前也宜用真空法饱和土试样，试验

10、中使用脱气水。试样，试验中使用脱气水。 试验中，量水管水位、试验中，量水管水位、水力坡降、流速和流量都是水力坡降、流速和流量都是随时间变化的函数。根据达随时间变化的函数。根据达西定律，在任意时刻西定律，在任意时刻 t 的单的单位面积流量：位面积流量：图变水头渗透试验原理图图变水头渗透试验原理图Lhkkivq渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法 在在 dt 时段中从管中流出试样的水量：时段中从管中流出试样的水量： 在在 dt 时段中从管中流入试样的水量：时段中从管中流入试样的水量： 其中其中 a 为量水管内部断面积，为量水管内部断面积，dh 为为 dt 时段中量水管水位的变化量。对于稳定渗流

11、：时段中量水管水位的变化量。对于稳定渗流： 在从在从 t1 到到 t2 这一试验时段中，如管内水位从这一试验时段中，如管内水位从 h1 降到降到 h2，则有，则有 积分整理后得到：积分整理后得到： AdtLhkV 1dhaV221VVdhaAdtLhk)()/ln(1221ttAhhaLk 或： )()/log(3 . 21221ttAhhaLk 或： 2121tthhdtakAhdhL渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法 现场测定现场测定试验方法试验方法 与室内试验相比，该法测定的渗透系数更接近工程的实际情况。但由与室内试验相比，该法测定的渗透系数更接近工程的实际情况。但由于实际地基土层

12、多为各向异性的且有分层或夹层的，故测得的渗透系数往于实际地基土层多为各向异性的且有分层或夹层的，故测得的渗透系数往往是一综合平均值。此外现场试验的费用较高，所用时间也较长。往是一综合平均值。此外现场试验的费用较高，所用时间也较长。 井孔抽水试验是最常见的一种现场试验法，其原理见图井孔抽水试验是最常见的一种现场试验法，其原理见图3-7。在相对不。在相对不透水土层上有一较深厚均匀的透水层，抽水井孔直达不透水层。抽水时形透水土层上有一较深厚均匀的透水层，抽水井孔直达不透水层。抽水时形成无压的渗流，有自由的地下水渗流表面。当抽水达到稳定状态时，此漏成无压的渗流，有自由的地下水渗流表面。当抽水达到稳定状

13、态时，此漏斗形的地下水面保持不变。试验中需在距抽水井中心分别为斗形的地下水面保持不变。试验中需在距抽水井中心分别为 r1 和和 r2 的距离的距离处布置二观测井，并测得井中水位面距不透水层的高度分别为处布置二观测井，并测得井中水位面距不透水层的高度分别为h1和和h2。渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法图图 在自由透水层中在自由透水层中的井孔抽水试验的井孔抽水试验 取以抽水井为中心、半径为取以抽水井为中心、半径为 r、厚度为、厚度为 dr 的薄圆筒，其地下水的薄圆筒，其地下水面以下高度为面以下高度为 h， 筒内外表面水头差为筒内外表面水头差为dh。 则水力坡降则水力坡降 薄圆筒侧面积薄圆筒

14、侧面积 根据达西定律根据达西定律 积分后得积分后得 由此得渗透系数由此得渗透系数 k 的计算式：的计算式： 在已知土的渗透系数在已知土的渗透系数 k 的情况下，也可通过上式计算人工降水的的情况下，也可通过上式计算人工降水的降水深度。降水深度。drdhi rhA2drdhrhkAkiQ2212212)/ln(hhQkrr212212)/ln(hhrrQk渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法n 成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数 水平渗流的特点：水平渗流的特点： (1) 各层土中的水力坡降各层土中的水力坡降i( h/L)与等效土层的平均水力坡降与等

15、效土层的平均水力坡降i相同相同 (2) 垂直垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量的总渗流量等于各层土渗流量 之和之和沿水平方向沿水平方向 的等效渗透系数的等效渗透系数kh： 11nhiiikk HH3131hiiiiiikHqiHkq将达西定律代入，即将达西定律代入，即 竖直渗流的特点：竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经等效土层的根据水流连续原理，流经等效土层的单位渗水量等于各土层的单位渗水量，即单位渗水量等于各土层的单位渗水量，即 (2)流经等效土层流经等效土层H的的总水头损失总水头损失h等于各层等于各层 上的水头损失之和上的

16、水头损失之和，即，即 123qqqqniihhhhh1321niiizkhHk1渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法将达西定律代入上式可得沿竖直方向将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效的等效 渗透系数渗透系数iiii iik hqk iHiiikqHh 饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理 饱和土体由土颗粒和孔隙水饱和土体由土颗粒和孔隙水两相组成。两相中和两相间存两相组成。两相中和两相间存在着多种力的传递与相互作用在着多种力的传递与相互作用，主要有：水与水之间力的传，主要有：水与水之间力的传递递 水压力传递；颗粒之间通水压力传递；颗粒之间通过接触传递压力；水与土颗粒过

17、接触传递压力；水与土颗粒的相互作用力。的相互作用力。 考虑饱和土中任一横截面面考虑饱和土中任一横截面面积为积为A的水平断面的水平断面,其上作用着其上作用着法向力法向力P。该面积包括。该面积包括土粒接土粒接触面积触面积Ac(因粒间接触面的方位因粒间接触面的方位是随机的，故这里指与面积是随机的，故这里指与面积A平行的接触总面积平行的接触总面积)和和粒间孔隙粒间孔隙面积面积A-Ac。（图。（图3-10）图图3-10 颗粒间的接触颗粒间的接触 PPAcAIIuu设由设由P在接触面上引起的法向力为在接触面上引起的法向力为P，在孔隙面积上的压力为，在孔隙面积上的压力为 u，则，则可得竖向平衡方程：可得竖向

18、平衡方程：P = P+ (A - Ac) u两边同除以两边同除以A得：得：式中：式中： = P/A ，为总应力；，为总应力； ，为面积，为面积A上的平均竖向粒间应力，称为有效应力，即由上的平均竖向粒间应力，称为有效应力，即由土颗粒承受或传递的应力；土颗粒承受或传递的应力； u 为由孔隙水承受或传递的应力，称为孔隙水压力；为由孔隙水承受或传递的应力，称为孔隙水压力；a = Ac/A , 土粒接触面积比。土粒接触面积比。 一般，土颗粒接触面积很小，一般，土颗粒接触面积很小，a 0.030, 故可不计。则有：故可不计。则有：此即此即 Terzaghi(1923) 所提出的所提出的饱和土的有效应力原理

19、饱和土的有效应力原理 ua)1 ( uAP /饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理由于土的强度取决于颗粒间的连接力和摩擦力，只有通过土颗粒接触面传递的由于土的强度取决于颗粒间的连接力和摩擦力，只有通过土颗粒接触面传递的粒间应力（即有效应力），才能使土粒挤紧而引起土体变形。因此，土的强度和变粒间应力（即有效应力），才能使土粒挤紧而引起土体变形。因此，土的强度和变形主要由土的有效应力决定。须注意，有效应力形主要由土的有效应力决定。须注意，有效应力 并非土颗粒间的真正接并非土颗粒间的真正接触应力触应力 ，因而，因而有效应力只是一个表象的、虚拟的应力有效应力只是一个表象的、虚拟的应

20、力。 AP /cAP /图图3-11 静水中土体的力的平衡静水中土体的力的平衡在分析饱和土中应力与力的传递时，可以取两种隔离体：在分析饱和土中应力与力的传递时，可以取两种隔离体：一种是将土颗粒孔隙水一起取为隔离体，这时孔隙水与颗粒间一种是将土颗粒孔隙水一起取为隔离体，这时孔隙水与颗粒间的相互作用力就成为内力；的相互作用力就成为内力；另一种是将土中的土颗粒所形成的骨架单独作为隔离体，这时要另一种是将土中的土颗粒所形成的骨架单独作为隔离体，这时要考虑颗粒间作用力以及孔隙水作用于土颗粒的力和颗粒本身自重之间考虑颗粒间作用力以及孔隙水作用于土颗粒的力和颗粒本身自重之间力的平衡。现以图力的平衡。现以图3

21、-11所示静水中的饱和土为例，分析其力的平衡条所示静水中的饱和土为例，分析其力的平衡条件。件。饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理n 饱和土中应力与力的传递饱和土中应力与力的传递R值也可以利用有效应力原理计算求得值也可以利用有效应力原理计算求得在土试样底部，总应力：在土试样底部，总应力： 孔隙水压力：孔隙水压力：有效应力：有效应力：纱网承担的就是这部分有效应力，即：纱网承担的就是这部分有效应力，即：（1）取（土骨架孔隙水）作隔离体。则作用在试样上的竖向力有）取（土骨架孔隙水）作隔离体。则作用在试样上的竖向力有自重：自重： ；上部水压力：；上部水压力：下部水压力：下部水压力：

22、 ；下部纱网对土样的支持力：；下部纱网对土样的支持力：R则可得平衡方程则可得平衡方程: 得得 上式为下部纱网对土体的支持力，它是通过颗粒间接触点传递的，上式为下部纱网对土体的支持力，它是通过颗粒间接触点传递的，大小等于土粒自重扣除浮力，即用有效重度（浮重度）大小等于土粒自重扣除浮力，即用有效重度（浮重度） 计算的土骨架计算的土骨架自重自重LALAWwsat)(AhPw 11AhPw22RPWP21ALLAhhLAPWPRwwwsat)()(2121LAR1hLwsat)(12hLhuwwLuLAAR饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理（2）取土的骨架作隔离体。则作用在骨架上

23、的竖向力有）取土的骨架作隔离体。则作用在骨架上的竖向力有土粒自重：土粒自重： ；水对土粒的浮力：；水对土粒的浮力： ；下部纱网支持力；下部纱网支持力R。考虑这三个竖向力的平衡，可得：考虑这三个竖向力的平衡，可得： wsssdVWwsV 可见可见: 无论是取无论是取土骨架孔隙水土骨架孔隙水作为隔离体作为隔离体, 还是取还是取土的骨土的骨架架作为隔离体作为隔离体, 计算所得的纱网支持力计算所得的纱网支持力R都是相等的。都是相等的。(1)(1)1sswsswswLAR WVV ddeRLA11swde 饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理n 渗透力渗透力实验验证实验验证 当当h1

24、h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生，时，土中水处于静止状态，无渗流发生， 贮水器向上提升，使贮水器向上提升，使h1h2，由于存在水头差土中产生向上的渗，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差流。水头差 h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为力，称之为渗透力渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用用 j表示。表示。饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中

25、的应力和有效应力原理考虑水体隔离体的平衡条件，可得：考虑水体隔离体的平衡条件，可得：111()wwwwwwwwwwwwhWJhhLjLhhhLhjiLL故渗透力故渗透力 j = w i 渗透力是一种体积力，量纲与渗透力是一种体积力，量纲与 w相同。渗透力的相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。 n 渗透力的计算渗透力的计算饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理Hsat A)hH(uw )hH(Huwsat hHwwHhHjH 渗流压密渗流压密渗透压力渗透压力

26、: :hw Hh h砂层，砂层，排水排水satsat地下水位下降，会在土层中产生朝下的渗流，从而使有效地下水位下降，会在土层中产生朝下的渗流，从而使有效应力增加，导致土层发生压密变形，称为渗流压密。这是应力增加，导致土层发生压密变形，称为渗流压密。这是引起地面沉降的又一个原因。实质上渗透力就是作用于土引起地面沉降的又一个原因。实质上渗透力就是作用于土骨架上的有效应力。骨架上的有效应力。n 渗流力渗流力- -稳定向下渗流稳定向下渗流Hsat A)hH(uw )hH(Huwsat Hh h砂层，砂层，承压水承压水粘土层粘土层satsatwHhHjH hHw 渗透压力渗透压力: :hw w0 -0

27、crwwcrcrHhhhiHHiii 当向上渗流时，若，则土层处于悬浮状态，发生流土。条件为即式中：称为临界水力坡降。只要满足条件，就会发生流土n 渗流力渗流力- -稳定向上渗流稳定向上渗流饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形，包括包括流土，管涌，流土，管涌，及不同土层间的接触渗透破坏。及不同土层间的接触渗透破坏。（1 1）流土）流土在向上渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒在向上渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象。发生条件：群同时发生移动的现象。发生条件：iiiicr cr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。不同种类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。不同种类的土，发生流土的现象不完全相同：砂土的土，发生流土的现象不完全相同：砂土砂沸；粘土砂沸；粘土表层某