土力学3-土渗透性

土力学3-土渗透性第一页，共99页。本章提要本章特点学习要点第三章：土的渗透性土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网渗透力与渗透变形

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）注意对物理概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点第二页，共99页。§3.1概述§3.2土的渗透性与渗透规律§3.3平面渗流与流网§3.4渗透力与渗透稳定§3.5在静水和有渗流情况下的空隙水应力和有效应力

第三章：土的渗透性第三页，共99页。§3.1概述土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性第四页，共99页。透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流§3.1概述-渗流问题防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例第五页，共99页。板桩围护下的基坑渗流§3.1概述-渗流问题渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例第六页，共99页。渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q§3.1概述-渗流问题第七页，共99页。渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响

范围？渠道、河流渗流§3.1概述-渗流问题原地下水位渗流时地下水位第八页，共99页。§3.1概述-渗流问题降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例第九页，共99页。渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置挡水建筑物集水建筑物引水结构物基础工程地下工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性§3.1概述-土渗流特性第十页，共99页。§3.1概述§3.2土的渗透性与渗透规律§3.3平面渗流与流网§3.4渗透力与渗透稳定

§3.5在静水和有渗流情况下的空隙水应力和有效应力第三章：土的渗透性第十一页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律水头与水力坡降土的渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性地基的渗透系数第十二页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动第十三页，共99页。位置势能：mgz压力势能：00基准面质量m压力u流速vz动能：总能量：称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：§3.2土的渗流性与渗透规律水流动的驱动力-水头第十四页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律ABLhAzA基准面总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处第十五页，共99页。A点总水头：§3.2土的渗流性与渗透规律水力坡降ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线B点总水头：二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失

水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失第十六页，共99页。达西渗透试验§3.2土的渗流性与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验或：其中，A是试样的断面积又根据水力学原理:第十七页，共99页。达西定律§3.2土的渗流性与渗透规律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速第十八页，共99页。达西定律的适用范围§3.2土的渗流性与渗透规律适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂hwdρvRe=Re＜1时，达西定律满足第十九页，共99页。达西定律的适用范围§3.2土的渗流性与渗透规律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，达西定律不再适用，此时：ivoi0两种特例对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？ivovcri>i0,v=k(i-i0)第二十页，共99页。渗透系数的测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验§3.2土的渗流性与渗透规律室内试验方法野外试验方法第二十一页，共99页。室内试验方法-常水头试验法试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:体积V，t§3.2土的渗流性与渗透规律i=Δh/LV=Qt=vAtv=kihL土样AVQ适用土类：透水性较大的砂性土第二十二页，共99页。室内试验方法-变水头试验法试验条件:Δh变化

A，a，L=const量测变量:h1,

h2

,t§3.2土的渗流性与渗透规律土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a适用土类：透水性较小

的粘性土第二十三页，共99页。土样At=t1t=t2h1h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt连续性条件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adthdhtt+dt§3.2土的渗流性与渗透规律室内试验方法-变水头试验法选择几组量测结果

，计算相应的k，取平均值第二十四页，共99页。室内试验方法–小结§3.2土的渗流性与渗透规律常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土第二十五页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井第二十六页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律A=2rhi=dh/dr计算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水层dhdrh地下水位≈

测压管水面现场测定法－抽水试验第二十七页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层土的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变第二十八页，共99页。hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层§3.2土的渗流性与渗透规律等效渗透系数:kx已知条件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:层状地基的水平等效渗透系数第二十九页，共99页。层状地基的垂直等效渗透系数§3.2土的渗流性与渗透规律H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh

/H

)等效渗透系数:第三十页，共99页。算例说明按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层状地基的等效渗透系数§3.2土的渗流性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xz第三十一页，共99页。层状地基的等效渗透系数§3.2土的渗流性与渗透规律水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公式第三十二页，共99页。§3.2土的渗流性与渗透规律小结水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数总水头=位置水头+压力水头水头是渗流的驱动力达西定律渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件

常水头试验变水头试验抽水试验水平等效渗透系数垂直等效渗透系数第三十三页，共99页。作业1、2、当基坑底面积为20m×10m，如果忽略基坑周边的入渗，试求为保持基坑水深1m需要的抽水量。（粉质粘土层k=1.5×10-6cm/s）第三十四页，共99页。§3.1概述§3.2土的渗透性与渗透规律

§3.3平面渗流与流网§3.4渗透力与渗透稳定

§3.5在静水和有渗流情况下的空隙水应力和有效应力第三章：土的渗透性和渗流问题平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用第三十五页，共99页。平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。

对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析§3.3平面渗流与流网h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流Δh平面稳定渗流第三十六页，共99页。§3.3平面渗流与流网渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：单位时间内流出单元的水量:连续性条件:dxdzvxvzxz第三十七页，共99页。渗流的运动方程达西定律：渗流的连续性方程：渗流的运动方程：§3.3平面渗流与流网特例：各向同性均质土体kx=kzLaplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程第三十八页，共99页。§3.3平面渗流与流网数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电模拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法第三十九页，共99页。流网及其特性流线和等势线正交流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1流网中相邻等势线间的势函数（水头）差不变各流槽的渗流量相等在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网§3.3平面渗流与流网H=H1-H20H1H2不透水层lsabcdefgh第四十页，共99页。H=H1-H20H1H2不透水层f流网的应用§3.3平面渗流与流网测管水头h确定流速确定流量水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqq流道数第四十一页，共99页。小结平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用连续性方程运动方程求解方法流网及特性流网的应用§3.3平面渗流与流网第四十二页，共99页。§3.1概述§3.2土的渗透性与渗透规律

§3.3平面渗流与流网§3.4渗透力与渗透稳定

§3.5在静水和有渗流情况下的空隙水应力和有效应力第三章：土的渗透性和渗流问题渗透力临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）第四十三页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形渗透力-试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>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架产生一个摩擦、拖曳力,即渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力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第四十四页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力第四十五页，共99页。截面积

A=1§3.4渗透力与渗透变形h200hwL土样滤网贮水器ab渗透力-受力分析WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整体受力分析-静水第四十六页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析截面积

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab第四十七页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析R=L-wh土水整体受力分析-对比h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab静水中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=wh

/L=wi第四十八页，共99页。向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=L-wh=0临界水力坡降h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=h/L=/w由于icr取决于土的物理性质第四十九页，共99页。=

+WWWw土水=土骨架+孔隙水JRJP1P2P1P2R土水隔离受力分析§3.4渗透力与渗透变形渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=L-wh土骨架受力分析：有效重量：W=L总渗透力：J=Lj滤网的反力：R

孔隙水受力分析：水压力：P1=whw

P2=wh1总渗透力：J=J水重+浮力反力：

Ww=Vvw+Vsw=Lw孔隙水受力平衡j=wi土骨架受力平衡第五十页，共99页。渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：

j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架§3.4渗透力与渗透变形第五十一页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形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。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌流土接触流土接触冲刷渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式第五十二页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，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，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：与土的密实度有关第五十三页，共99页。坝体§3.4渗透力与渗透变形渗透变形–管涌原因内因：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

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渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷第五十四页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口第五十五页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形Fs:安全系数2.0~3.5[i]:允许坡降i<icr:土体处于稳定状态i=

icr:土体处于临界状态i>icr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别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一水力条件，均要发生流土：第五十六页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别第五十七页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形较均匀土（Cu10）几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu>10）不连续连续d0=0.63nd20细粒含量>35%细粒含量<25%细粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径第五十八页，共99页。§3.4渗透力与渗透变形几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土过渡管涌水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）中国学者Cu>20时,icr=0.25-0.30，考虑安全系数后：

[i]=0.10-0.15第五十九页，共99页。透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施减小i：延长渗径降低水头增大[i]：下游增加盖重

§3.4渗透力与渗透变形改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降防治流土防治管涌第六十页，共99页。小结§3.4渗透力与渗透变形工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数平面渗流的基本方程及求解流网的绘制

及应用

渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治第六十一页，共99页。§3.1概述§3.2土的渗透性与渗透规律

§3.3平面渗流与流网§3.4渗透力与渗透变形

§3.5在静水和有渗流情况下的空隙水应力和有效应力第三章：土的渗透性和渗流问题第六十二页，共99页。太沙基

（KarlTerzaghi)(1883-1963)太沙基–

土力学的奠基人1921-1923年提出土的有效应力原理和土的固结理论，1925年出版经典著作《土力学》，首次将各种土工问题归纳成为系统的有科学依据的计算理论，奠定了他作为土力学创始人的地位§3.5第六十三页，共99页。对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何影响？外荷载总应力土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体（水和气）三相构成的碎散材料，受外力作用后，总应力由土骨架和孔隙流体共同承受Terzaghi的有效应力原理和固结理论有效应力原理§3.5第六十四页，共99页。外荷载总应力饱和土中的应力形态饱和土是由固体颗粒骨架和充满其间的水组成的两相体。受外力后，总应力分为两部分承担：由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之为粒间应力有由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，称之为孔隙水压力。孔隙水不能承担剪应力，但能承受法向应力§3.5第六十五页，共99页。外荷载总应力AaaPsv接触点PsA：Aw：As：土单元的断面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积a-a断面竖向力平衡：有效应力σ1饱和土有效应力原理§3.5第六十六页，共99页。甲乙松散砂土中两种应力试验钢球水由钢球施加的应力，通过砂土的骨架传递的部分，称为有效应力（σ），这种应力能使土层发生压缩变形由水施加的应力通过孔隙中水来传递，称为孔隙水压力（u），这种应力不会不能使土层发生压缩变形§3.5第六十七页，共99页。饱和土的有效应力原理饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ和u，并且：土的变形与强度都只取决于有效应力一般地，有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或计算§3.5第六十八页，共99页。有效应力原理的讨论孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，导致孔隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力§3.5第六十九页，共99页。有效应力原理的讨论孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论是土体发生变形的原因：颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与有关是土体强度的成因：土的凝聚力和粒间摩擦力均与有关§3.5第七十页，共99页。有效应力原理的讨论孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论讨论：海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大？1mσz=u=0.01MPa104mσz=u=100MPa§3.5第七十一页，共99页。§3.5孔隙水压力和有效应力计算静水条件稳定渗流条件地下水位海洋土向上渗流向下渗流第七十二页，共99页。§3.5H1H2地面地下水位静水条件：地下水位总应力：单位土柱和水柱的总重量σ=H1+satH2孔隙水压力：净水压强u=wH2有效应力：σ=-u=H1+(sat-w)H2

=H1+H2σ=σ-uu=wH2u=wH2H1A（-)第七十三页，共99页。H’1地面A地下水位静水条件：水位下降总应力：σ=H’1+satH2孔隙水压力：u=wH2有效应力：σ=-u地下水位下降会引起σ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H’1H2u=wH2σ=σ-u(-)u=wH2地下水位下降引起σ增大的部分§3.5第七十四页，共99页。静水条件：海洋土总应力：单位土柱和水柱的总重量σ=wH1+satH2孔隙水压力：净水压强u=w(H1+H2)有效应力：σ=-u=H2H1H2=-uu=w(H1+H2)地面水位wH1Au=w(H1+H2)(-)§3.5第七十五页，共99页。§3.5稳定渗流条件：HΔh砂层（排水）sat向下渗流HΔh砂层(承压水)粘土层sat向上渗流第七十六页，共99页。§3.5稳定渗流条件：向上渗流AHΔh砂层(承压水)sat向上渗流土水整体分析总应力：单位土柱和水柱的总重量σ=satH孔隙水压力：净水压强u=w(H+h)有效应力：σ=-u

=satH-

wH-wh=H-wh渗透压力，向上渗流使得有效应力减小第七十七页，共99页。§3.5稳定渗流条件：向下渗流A土水整体分析总应力：σ=satH孔隙水压力：u=w(H-h)有效应力：σ=-u

=satH-

wH+wh=H+whHhsat向下渗流砂层（排水）渗透压力，向下渗流使得有效应力增加可导致土层发生压密变形，称渗流压密第七十八页，共99页。根据流网确定孔隙水压力§3.5注意：当计算点位于下游静水位以下时，孔隙水压力是由两部分组成，一是由下游静水位产生的静孔隙水压力，二是由渗流所引起的超静孔隙水压力闸基下的渗流第七十九页，共99页。本章作业：3-5请注意对第一章和第二章的复习！作业第八十页，共9