静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力

1、静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第1页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四土粒对水流的总阻力Fsh2h0h1h0hWwWwFsFsABCDABCDU1U2ABCDabWwFsU1U2 以网格中的孔隙水 为研究对象 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性第2页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四沿水流方向力的平衡一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性第3页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四 渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力，常以kN/m3计。一、渗流力的概念 4-5 渗流力及

2、渗透稳定性第4页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四h2h0h1h0hW W ABCDABCDU1U2ABCDabWwJ U1U2WR Fs 以网格中的整个土体（包括土粒与孔隙水)为研究对象 一、渗流力的概念 4-5 渗流力及渗透稳定性第5页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四二、渗透变形 （一）渗透变形的形式流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒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流溢出处。管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。4-5 渗流力及渗透稳定性第6页，共31页，2

3、022年，5月20日，2点44分，星期四（一）渗透变形的形式二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性第7页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四（一）渗透变形的形式二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性第8页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四2、管涌型土的临界水力梯度（二）土的临界水力梯度二、渗透变形 4-5 渗流力及渗透稳定性第9页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常以u表示。一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力 把通过粒间的接

4、触面传递的应力称为有效应力。把孔隙水应力和有效应力之和称为总应力。FSFSNSNS第10页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四A：Aw：As：土单元的截面积颗粒接触点的截面积孔隙水的截面积aa4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力 第11页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 h2h1粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第12页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四地下水位下降引起增大的部分h1h2=-u u=w

5、h2u=wh2地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第13页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四（一）渗流方向由上向下hw h h2h1砂层，排水粘土层 sat 水 w 三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第14页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四（二）渗流方向由下向上h hw h2h1砂层，承压水粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的孔

6、隙水应力和有效应力三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 第15页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四（二）渗流方向由下向上h hw h2h1砂层，承压水粘土层 sat 水 w 4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力 第16页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四静水条件和渗流情况下的应力情况比较4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第17页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四 流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水应力即可由该点的测压管中的水柱高度(或称

7、压力水头）乘以水的重度得到。四、根据流网确定孔隙水应力 当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部分孔隙水应力称为静孔隙水应力；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力,通常将这一部分孔隙水应力称为超静孔隙水应力。注意：土体的超静孔隙水应力 除可由渗流产生以外，荷载 （动的或静的）也能够在土体 内引起超静孔隙水应力。4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第18页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四【例题33】如图所示，若地基上的土粒比重Gs为2

8、.68，孔隙率n为38.0， 试求： （1）a点的孔隙水应力和有效应力；（2）渗流逸出处12是否会发生流土？ （3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第19页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四a点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低h=0.8m，从图中直接量得下游静水位至a点的高差 ha=10m，而超过下游静水位的高度应为 ha=h-h8-0.87.2 m。 则a点测压管中的水位高度 hw ha+ ha= 10+7.2=17.2 m。 所以，a点的孔隙水应力为 u=whw=9.817.2=168

9、.56 kPa（1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N10，则相邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8m。4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第20页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为 u= w ha=9.810=98 kPa 而由渗流引起的超静孔隙水应力为 u= w ha=9.8 7.2=70.56 kPa a点的总应力为 w h1+ sat (ha-h2)第21页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四 其中土的饱和重度 satsat9.8= w1+(Gs-1)(1-n) 9

10、.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 kN/m3 代入上式得总应力为 9.8 10+20 (10-2) =98+160=258 kPa 于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为 -u =258-168.56=89.44 kPa4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第22页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四 从图中直接量得网格1，2，3，4的平均渗径长度L=8 m，而任一网格上的水头损失均为h=0.8 m，则该网格的平均水力梯度为 i=h/L0.8/8=0.1 该梯度即近似代表地面12处的逸出梯度ie。 流土的临界水力梯度为 icr=(Gs-1)

11、(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04ie 故渗流逸出处12不会发生流土现象。（2）渗流逸出处12是否会发生流土？4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第23页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四 图中直接量得网格9，10，11，12的平均渗径长度L=5.0 m，两流线间的平均距离b=4.4 m，网格的水头损失h=0.8 m，所以 作用在该网格上的渗流力为 J w (h/ L)b Lw b h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m（3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力第24页，共3

12、1页，2022年，5月20日，2点44分，星期四复习思考题 4-1 何谓达西定律，达西定律成立的条件有哪些？ 4-2 实验室内测定渗透系数的方法有几种？它们之间又什么不同？ 4-3 流网有什么特征？ 4-4 渗透变形有几种形式？各有什么特征？ 4-5 什么是临界水力梯度？如何对其进行计算？ 4-6 孔隙水应力在静水条件下和在稳定渗流作用下有什么不同？如何利用流网确定渗流作用的孔隙水压力。 第25页，共31页，2022年，5月20日，2点44分，星期四4-7 根据达西定律计算出的流速和土水中的实际流速是否相同？为什么？ 4-8 拉普拉斯方程是由哪两个基本定律推导出的？你认为土的透水系数是各向同性的吗？ 4-9 何谓流土？何谓管涌？产生流土和管涌的必要条件是什么？ 4-10 试草绘一个常水头的试验装置来说明达西定律。 4-11 渗透速度就是水在孔隙中流动的实际速度吗？第26页，共31页，2022年，5月20日，2点