土力学 课件 李顺群 第4、5章 土的渗透性、土的压缩性

第4章土的渗透性

4土的压力4.1

概述4.2土的渗流规律4.3土的渗透系数4.4二维渗流及流网4.5渗流破坏与防治4.6海绵城市和土体海绵化散体性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流seepage水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性permeability土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性4.1概述能量差一、

基本概念渗流量seepageflow

渗透变形Seepagedeformation土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层1.土石坝坝基坝身渗流二、

工程中常见与渗流相关的问题4.1概述渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙2.板桩围护下的基坑渗流二、

工程中常见与渗流相关的问题4.1概述渗流量透水层不透水层天然水面3.水井渗流漏斗状潜水面Q二、

工程中常见与渗流相关的问题4.1概述渗流量原地下水位渗流时地下水位4.渠道渗流二、

工程中常见与渗流相关的问题4.1概述渗流量渗透变形渗水压力土的渗流规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工4.1概述三、

本章主要内容4.2土的渗透性一、

伯努力方程4.2土的渗透性一、

伯努力方程h——总水头z——位置水头u——孔隙水压力v

——孔隙水的流速g——重力加速度A点总水头：B点总水头：水力梯度：二.达西定律

试验前提：层流Δh↑，q↑

A↑，q↑

L↑，

q↓断面平均流速水力坡度1.达西渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:

h1，A，L=const

量测变量:

h2，V，tΔh=h1-h2

q=V/T4.2土的渗透性2.

达西定律的表述在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度i的一次方成正比，并与土的性质有关。k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day4.2土的渗透性二.达西定律

物理意义：水力梯度i＝1时的渗流速度AAvVr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>Avq＝VA＝

VsAv

V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度4.2土的渗透性三.达西定律的讨论

粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度

vcr=0.3-0.5cm/s

适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较重的黏性土

两种特例黏性土：致密的粘土

i>i0,v=k(i-i0

)4.2土的渗透性三.达西定律的讨论

室内试验测定方法

野外试验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4.3土的渗透系数一、渗透系数的测定室内试验方法1-常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:

Q，t

i=Δh/L

V=qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土4.3土的渗透系数一、渗透系数的测定tt+Δt

室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：

ΔhΔtdhdQe=

-

adhdQo=kiAdt=k

(Δh/L)AdtdQe=dQo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组Δh1,

Δh2,t

，计算相应的k，取平均值变水头试验4.3土的渗透系数一、渗透系数的测定常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t

重复试验后，取均值a，A，LΔh，t

室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土黏性土4.3土的渗透系数一、渗透系数的测定

野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrh

i=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：一、渗透系数的测定4.3土的渗透系数粒径大小及级配

孔隙比

矿物成分

结构二、渗透系数的影响因素水的动力黏滞系数

饱和度（含气量）

—对k影响很大，封闭气泡

4.3土的渗透系数三、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状4.3土的渗透系数H1H2H3H

Δh

k1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi

三、层状地基的等效渗透系数4.3土的渗透系数垂直渗流条件:等效渗透系数:三、层状地基的等效渗透系数4.3土的渗透系数水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定三、层状地基的等效渗透系数4.3土的渗透系数算例说明

按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制三、层状地基的等效渗透系数4.3土的渗透系数算例说明

按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制三、层状地基的等效渗透系数4.3土的渗透系数一、二维渗流方程4.4二维渗流及流网应用流网flownet：由流线和等势线所组成的曲线正交网格。流线seepagelines：表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向；等势线equipotentiallines：渗流场中势能或水头的等值线二、流网特征等势线流线4.4二维渗流及流网应用流线与等势线互相正交；流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数相邻等势线间水头损失相等各个流槽的渗流量相等流网中等势线越密的部位，水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。4.4二维渗流及流网应用二、流网特征求水力梯度渗流流速流量孔隙水压力三、流网的应用计算某一网格内的渗流速度，先量出该网格的流线长度l，设流网中等势线的数量为n，上下总水头差为h.任意两等势线间的水头差为：每个流槽的渗流量4.4二维渗流及流网应用设整个流网的流线数量为m，则单位宽度内总的渗流量q为：设网格的过水断面宽度（相邻两条流线的间距）为b，网格的渗流速度为v，则三、流网的应用4.4二维渗流及流网应用对于E点，在第i条等势线上，若从上游入渗的水流达到E点所损失的水头为hf，则E点的总水头hE应为入渗边界上的总水头减去这段流程的水头损失，即E点测压管的水柱高度HE为E点总水头与其位置坐标值ZE的差值，三、流网的应用4.4二维渗流及流网应用渗流引起的渗透破坏问题主要有：管涌和流砂：由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生位移，导致土体变形甚至失稳。土坡稳定性：由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构失稳。4.5渗透破坏与控制渗透变形渗流力一、渗流力试验观察渗流力J：渗流作用中，孔隙水对土骨架的作用力。单位体积土颗粒所受到的渗流作用力为渗流力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abΔh=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。

4.5渗透破坏与控制土粒渗

流J一、渗流力4.5渗透破坏与控制h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2P1W一、渗流力4.5渗透破坏与控制h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab一、渗流力4.5渗透破坏与控制GWγwhwA=1T

γwh1Gw

=

LAwγw

J=

-T

总阻力T’=T

LAw

渗流力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j=γwi

大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架一、渗流力4.5渗透破坏与控制一、渗流时土中的有效应力4.5渗透破坏与控制总应力有效应力水压力σ’=σ-u=γwH1+γsatH2-γwH=γsatH2-γw(H-H1)=(γsat-γw)H2

=γ’H21.静水条件总应力水压力有效应力一、渗流时土中的有效应力2.向上的渗流条件为渗透压力一、渗流时土中的有效应力3.向下的渗流条件渗透压密基本类型流土quick管涌piping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防治措施4.5渗透破坏与防治粘性土k1<<k2砂性土k2

坝体

一、基本类型流土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渗流

原因：4.5渗透破坏与防治危害：使施工条件恶化，引起塌方，使邻近建筑物因地基被掏空而发生下沉、开裂、倾斜甚至倒塌。流土引起房屋下沉演示一、基本类型4.5渗透破坏与防治管涌原因：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。管涌

管涌破坏

堤坝管涌失事演示

一、基本类型4.5渗透破坏与防治Fs:

安全系数1.5～2.0二.形成条件[i]:

允许坡降i<icr:i=icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：4.5渗透破坏与防治管涌管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中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4.5渗透破坏与防治增大[i]：下游增加透水盖重

三、防治措施防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降4.5渗透破坏与防治坑壁坍塌△hcr板桩三、防治措施4.5渗透破坏与防治4.6海绵城市和土体海绵化一、海绵城市的概念海绵城市是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”即下雨时能吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。二、常规海绵城市建设方法4.6海绵城市和土体海绵化以绿地、可渗透路面、渗水砖、雨水花园、下沉式绿地等措施组织排水，以河、湖、池塘等水系作为“海绵体”。下沉绿地

透水地面三、土层海绵化方法4.6海绵城市和土体海绵化地下水位透水砖土工布100mm中砂100mm粗砂滤芯潜在储水土层第5章土的压缩性5.1

概述5.2室内压缩试验及压缩性指标5.3

应力历史对压缩性的影响5.4

土的变形模量和弹性模量5.1概述土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出占总压缩量的1/400不到，忽略不计压缩量主要组成部分说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果无粘性土粘性土透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程5.1概述

固结试验可以测定土的压缩系数a和压缩模量Es等压缩性指标。室内土样在侧限条件下所完成的固结，称为K0固结。K0为土的静止侧压力系数，也叫静止土压力系数。天然土层在自重应力或大面积荷载作用下，所完成的固结均为K0固结。室内土的三轴压缩试验或无侧限抗压试验，可以测定土的弹性模量E；还可以测定土的抗剪强度指标。当考虑应力历史对土的压缩性影响时，可以测定土的压缩指数Cc等指标。原位的测试方法：现场（静）载荷试验（浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验），利用与其它现场试验（如标贯、静力触探、圆锥动力触探等）建立关系间接求出变形模量第5章土的压缩性5.1

概述5.2室内压缩试验及压缩性指标5.3

应力历史对压缩性的影响5.4

土的变形模量和弹性模量5.2室内压缩试验及压缩性指标压缩曲线5.2.2室内压缩试验5.2.1压缩性指标5.2.3回弹曲线和再压缩曲线5.2.4压缩曲线是土的孔隙比与所受压力的关系曲线，从而得到土的压缩性指标三联固结仪5.2.1室内压缩试验刚性护环加压活塞透水石环刀底座透水石土样荷载注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形1.压缩仪示意图5.2.1室内压缩试验2.试验过程百分表加压上盖试样透水石护环环刀压缩容器P1s1e1e0ptestP2s2e2P3s3e3（1）普通直角坐标e-p曲线一般按50、100、200、300、400kPa五级加荷，第一级压力软土宜从12.5或25kPa开始。加荷率（前后两级荷载之差与前一级荷载之比）取≤1（2）半对数直角坐标e-lgp曲线初始阶段加荷率取0.5一般按12.5、18.75、25、37.5、50、100、200、300、400、800、1600、3200kPa注意：读数时间5.2.1室内压缩试验研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eiVs＝1H1/(1+ei)H1∆Hi土样在压缩前后变形量为∆Hi，整个过程中土粒体积和底面积不变土粒高度在受压前后不变整理其中根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线p5.2.2压缩曲线e0eppee-p曲线曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性

压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高5.2.2压缩曲线土的压缩系数：土体在侧限条件下孔隙比减小量与有效压力增量的比值，即e-p曲线中某一压力段的割线斜率。p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△e利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性常用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性

a1-2＜0.1MPa-1

低压缩性土0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1

中压缩性土a1-2≥0.5MPa-1

高压缩性土5.2.3压缩性指标5.2.3压缩性指标土的压缩指数：土体在侧限条件下孔隙比减小量与有效压力常用对数值增量的比值，即e-lgp曲线中某一压力段的直线斜率。e-lgp曲线后压力段接近直线，其斜率Cc为：同压缩系数一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。低压缩性土的Cc值一般小于0.2，Cc值大于0.4为高压缩性土。5.2.3压缩性指标Vv＝e1Vs＝1H1/(1+e1)H1Vv＝e2Vs＝1H2/(1+e2)pH2p2∆Hp1土的压缩模量：土体在侧限条件下的竖向附加压应力与竖向应变之比值。ΔH/H1即为土样的竖向应变由说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低得5.2.3压缩性指标土的体积压缩系数mv：土体在侧限条件下的竖向(体积）应变与竖向附加压应力之比（MPa-1),亦称单向体积压缩系数，即土的压缩模量的倒数。说明：同土的压缩系数a一样，mv值越大，土的压缩性越高5.2.4回弹曲线和再压缩曲线p(lg)压缩曲线回弹曲线再压缩曲线pip压缩曲线回弹曲线再压缩曲线pi第5章土的压缩性5.1

概述5.2室内压缩试验及压缩性指标5.3

应力历史对压缩性的影响5.4

土的变形模量和弹性模量5.3.1沉积土（层）的应力历史先期固结压力（前期固结压力）：天然土层在历史上受过最大固结压力（指土体在固结过程中所受的最大竖向有效应力）。土在历史上所经受的先期固结压力等于现有覆盖土重历史上曾经受过大于现有覆盖土重的先期固结压力根据应力历史分类：正常固结土超固结土次固结土先期固结压力小于现有覆盖土重超固结比OCR：先期固结压力与现有覆盖土重之比。先期固结压力，kPa现有覆盖土重，kPaOCR=1正常固结土OCR>1超固结土OCR<1欠固结土《高层建筑岩土工程勘察规程》OCR＝1.0～1.2为正常固结土。hp1=γhA类土层pc=p1现在地面正常固结土hp1=γhB类土层pc>p1现在地面剥蚀前地面hc超固结土hp1=γhC类土层pc<p1现在地面hc欠固结土5.3.1沉积土（层）的应力历史确定先期固结压力，应结合场地地形、地貌等形成历史的调查资料加以判断，如历史上由于自然力（流水、冰川等地质作用的剥蚀）和人工开挖等剥去原始地表土层，或在现场堆载预压作用等，都可能使土层成为超固结土；新近沉积的粘性土、粉土、海滨淤泥、年代不久的人工填土及地下水位发生下降，都可使土层处于欠固结状态。5.3.2先期固结压力及现场压缩曲线的确定ep(lg)CD在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m作水平线m1作m点切线m2作m1,m2的角分线m3m3与试验曲线的直线段交于点BB点对应于先期固结压力pcmrmin123pcAB先期固结压力pc的确定（卡萨格兰德法）第5章土的压缩性5.1

概述5.2室内压缩试验及压缩性指标5.3

应力历史对压缩性的影响5.4

土的变形模量和弹性模量5.4.1变形模量百分表百分表千斤顶千斤顶堆重排钢梁木垛载荷板载荷板钢梁（各由两个地锚锚住）地锚(a)堆重－千斤顶式(b)地锚－千斤顶式浅层平板载荷试验载荷架示例5.4.1变形模量1、地基土浅层平板载荷试验可适用于确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力。承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。2、试验基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍。应保持试验土层的原状结构和天然湿度。宜在拟试压表面用粗砂或中砂层找平，其厚度不超过20mm。3、加荷等级不应少于8级。最大加载量不应小于设计要求的两倍。4、每级加载后,按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时测读一次沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定,可加下一级荷载。5、当出现下列情况之一时，即可终止加载：

（1）承压板周围的土明显地侧向挤出