第二章 土的渗透及工程问题.ppt

1、渗流,1,2 土的渗透及工程问题 第二章,土的渗透及工程问题 作业 2-1，2-2 2-3 2-4,本章特点 学习要点 主要难点, 有较严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒体多孔介质特性） 注重对物理概念和意义的深入理解 注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降 有效应力原理 渗透力及其分析方法,2 土的渗透及工程问题 2.1 概述,2 土的渗透及工程问题 在水头差作用下,2.1 概述,碎散性,多孔介质,渗流,孔隙水,渗透,三相体系,能量差,孔隙流体流动,土颗粒,土中水,造成水量损失，影响工程效益,水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质,渗透性,引

2、起土体内部应力状态的变化，从而改变水 土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成 破坏事故,非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性,渗透特性 强度特性 变形特性,1.渗漏 2.渗透稳定性,PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,2,2 土的渗透及工程问题 土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺盖,2.1 概述 土石坝,2 土的渗透及工程问题 板桩围护下的基坑渗流 板桩墙,2.1 概述,渗水压力,浸润线,渗流量,基坑,渗流量,不透水层,透水层,渗透变形,不透水层,透水层,渗透变形 扬压力,2 土的渗透及工程问题 水井渗流,2.1 概述,2 土的渗透及工程问题 渠道渗流,2.1 概述,Q

3、渗流量,天然水面,漏斗状,潜水 面,透水层,渗流量,渗流时地下水位,原地下水位 不透水层 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,2,u v, w,h1, w,u A, w,u B, w,i =,3,2 土的渗透及工程问题,2.1 概述,2 土的渗透及工程问题,2.1 概述,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网,渗流量 扬压力 渗水压力,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物,渗流滑坡,渗透力与渗透变形,渗透变形 渗流滑坡,基坑等地下施工 多雨地区边坡,土坡稳定分析,2 土的渗透及工程问题,2 土的渗透及工程问题,2.2 达西定律及其适用范围,2.2 达西定律及其

4、适用范围 一、渗流中的水头与水力坡降 板桩墙 基坑 A,总水头单位重量水体所具有的能量 h = z + + w 2g u A z：位置水头 u/w：压力水头 zA V2/(2g)：流速水头0,水力 A L,坡降,线 B,h uB h2 zB,透水层,L,B,总水头： h = z +,u w,0 测管水头,基准面,0,不透水层,A点总水头： h1 = z A +,B点总水头： h 2 = z B +,水头差： h = h1 h 2,水力坡降： h L,PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,q,h,Av,i,v,4,2 土的渗透及工程问题,2.2 达西定律及其适用范围,2

5、 土的渗透及工程问题,2.2 达西定律及其适用范围,二、达西定律 1.渗透试验,2.达西定律,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,试验前提：层流 试验装置：如图 试验条件: h1，A，L=const 量测变量: h2，Q，T 试验结果,渗透定律 v i v = k i,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 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。 注意： v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,h=h1-h2,q=Q/T,Q,A,vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,h，q A

6、，q L， q,q A,h L,断面平均流速 v = 水力坡降 i =,A L,v i,Av,n = A A Av qvA vsAv,v vs =,v n,2 土的渗透及工程问题 三、达西定律的适用范围,2.2 达西定律及其适用范围,2 土的渗透及工程问题 两种特例：,2.2 达西定律及其适用范围,适用条件： 层流（线性流） 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,Re =,v d10 ,（1）粗粒土： 砾石类土中的渗流常不符合达西定律 砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,v vcr o,v = ki m ( m 1), 在粗粒土孔隙中，水流形态可 能会

7、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Re进行判断：,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,（2）粘性土： 致密的粘土 i i0, v = k(i - i0 ),PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,o,i0,i,L,理论依据:,dt = ,kA h,t =,dt = ,ln,k =,ln,5,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 一、测定方法,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 室内试验方法1常水头试验法 试验装置：如图 试验条件: h，A，L=const,室内试验测定方法 野外试

8、验测定方法,常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验,量测变量: Q，t 结果整理,Q=qt=vAt,h,土样,井孔注水试验,v=ki i=h/L,k =,QL Aht,A,q,Q 适用土类：透水性较大的砂性土,透水性较小的粘性土?, 室内试验方法2变水头试验法,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 室内试验方法2变水头试验法, 室内试验方法2变水头试验法 试验装置：如图 试验条件: h变化，A，L=const 量测变量: h ，t,q A,土样,h1 L,t=t1 t=t2 h2 水头 测管 开关 a,dt t时刻

9、： h dh 流入量： dQe= - adh 流出量：dQo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件： dQe=dQo aL dh -adh =k (h/L)Adt t aL h 2 dh aL h1 0 kA h1 h kA h 2 aL h1 At h 2,Q A,土样,h1 L,dh h,t=t1 t t+dt t=t2 h2 水头 测管 开关 a,结果整理: 选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,渗透系数k(10-3cm/s),观察井,dh,r2,2,h,h1,不透水层,h2,2,8,7,6,5,4,

10、2,6,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 野外测定方法抽水试验和注水试验法 实验方法：,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 二、渗透系数的影响因素,理论依据： A=2rh i=dh/dr Q = Aki = 2rh k dr,抽水量Q 井,r1,r2 r,dh,dr,k = f ( 土 粒 特 性 、 流 体 特 性 ）,dr Q r Q ln r1,= 2khdh 积分 = k (h 2 h 1 ),地下水位测压管水面 优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数,k =,Q

11、 ln( r2 / r1 ) h 2 h 1,缺点：费用较高，耗时较长,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 1.土粒特性的影响 粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形 成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。 孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k 一般随孔隙比e增大而增大。 矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系 数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；塑性指 数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及

12、影响因素 2. 流体特性的影响 饱和度的影响 封闭气泡对k影响很大，可 减少有效渗透面积，还可 以堵塞孔隙的通道 流体粘滞性的影响 温度高 3,结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上， 天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平 k垂直；在微观结构上，当孔隙 比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。,粘滞性低 渗透系数大,80,90 饱和度 sr(%),100,PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,h,1,条件:,vH i,vH,H,H,hi,vH vH i,k z,k i, H 1 , H k i ,k x =,H,H,i,7,2 土的渗透及

13、工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 三、层状地基的等效渗透系数 天然土层多呈层状,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 水平渗流 条件:,等效渗透系数, 确立各层的ki 考虑渗流方向,ii = i = L qx = qix H = Hi 等效渗透系数:,1 q1x q2x,闸板 z,k1 k2,2,h H1 H2,x H,qx=vxH=kxiH,q3x,k3,H3,qix=kiiiHi k x = H k i H i,1,L,2,不透水层,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素 竖直渗流,2 土的渗透及工程问题 2.3 渗透系数的测定及影响因素,v

14、i = v 等效渗透系数: hi = k i h = k z k z = k ii,1 k z,h = h i H = Hi vi = k i Hi = = i ,v,z 承压水,k1 k2 k3,h H1 H2 H3,x H,算例 k i H H k z = k ii,H1 = 1.0m, k1 = 0.01m / day H 2 = 1.0m, k 2 = 1m / day H 3 = 1.0m, k 3 = 100m / day = 33.67m / day 按层厚加权平均，由较大值控制 = 0.03m / day 倒数按层厚加权平均，由较小值控制,PDF 文件使用 pdfFactory

15、 Pro 试用版本创建 ,A,a,a,（1923）, 1,PS, ,试想：, xy, zy, y, ,8,2 土的渗透及工程问题 2.4 渗流作用下土的应力状态 孔隙流体 三相体系,2.4 渗流作用下土的应力状态 一、饱和土有效应力的基本概念 饱和土中的应力形态 a-a断面通过土 颗粒的接触点,土,固体颗粒骨架,+,孔隙水 + 孔隙气体 受外荷载作用,总应力,A： 土单元的断面积 As： 颗粒接触点的面积 Aw：孔隙水的断面积,A = A S + A w u：孔隙,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,a-a断面竖向力平衡：,水压力,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？

16、, A = Psv + uA w, =, Psv + A w u A A,PS,PSV,它们对土的变形和强度有何影响？ Terzaghi 土力学成为独立的学科 有效应力原理 固结理论,土骨架承担 土骨架传递,有效应力 Aw A = + u,2.4 渗流作用下土的应力状态 饱和土的有效应力原理 （1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分和u，并且,2.4 渗流作用下土的应力状态 变形的原因 颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与 有关；,一般地， x yx zx, = +u = + u xz x xy xz u 0 0 yz = yx y yz + 0 u 0 z zx zy z 0 0 u,

17、接触点处应力过大而破碎与 有关。 强度的成因 凝聚力和摩擦与有关 海底与土粒间的接触压力 孔隙水压力的作用 哪一种情况下大？ 对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献， 并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力 对土的强度没有直接的影响； 1m,通常,总应力已知或易知 孔隙水压测定或算定, = +u,有效应力,它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受 到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很 大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙 水压力对变形也没有直接的影响，土体不,z=u=0.01MPa,104m,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,会因为受到

18、水压力的作用而变得密实。,z=u=100MPa,a b,a b,a,9,2.4 渗流作用下土的应力状态 二、静水条件下土的有效应力与中性应力,2.4 渗流作用下土的应力状态 三、渗流作用下土的有效应力,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流,P1,贮水器,P1,贮水器,h,P2,W .,a,A=1,0,hw L,土样 .,a,h2,0,P2,W .,a,A=1,0,hw L,土样,a,h2,h1 0,W = LsatL( + w),P1 = whw,W = LsatL( + w),P1 = whw,a点之上土水总应力： L( + w)whw a点处孔隙水压力：u= wh2= w(hw+L),a点

19、之上土水总应力：W+P1 L( + w)whw a点处孔隙水压力：u= wh1= w(h2+h),a点处有效应力：, = u= L,a点处有效应力：,= L wh,2.4 渗流作用下土的应力状态,2.4 渗流作用下土的应力状态,渗流中的土体,向下渗流,a b,四、渗透力 (一)渗透力实验验证 物理本质 j,贮水器,a b,h,贮水器,hw,h1,hw,h,土,L,土样,h2,L,土样,h2,粒,0,0,0 = L wh,0,滤网 当h1h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生。 贮水器向上提升，使h1h2，由于存在水头差， 土中产生向上的渗流。 水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失,渗,流

20、,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、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,j =,=,渗流,b,10,2.4 渗流作用下土的应力状态 （二）渗透力计算 渗透力定义：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j 表示。,2.4 渗流作用下土的应力状态 考虑水体隔离体的平衡条件，可得： w hw + W w + J = w h1,水、土受力分析 把土骨架和水分开来取隔离体。,作用在孔隙水隔离体上的力：, w hw + L w + j L = w h1 w ( h1 hw L) w h L L j = j= w i

21、 故渗透力,= w i,作用在土骨架隔离体上的力： (1) 土粒有效重量W L； (2) 总渗透力JjL,方向竖直向上； (3) 下部支承反力R。,(1)孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。 WwVv w + VS w wL (2)土柱两端的边界水压力 w hw和w h1； (3)土柱内土粒对水流的阻力，其大小应 和渗透力相等，方向相反。则总阻力 J j L。,渗透力性质：渗透力是一种体积力，量纲与w相同，单位是 kN/m3。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方 向与渗流方向一致。,2.4 渗流作用下土的应力状态 渗透力的影响 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对,2 土的渗透及工程问

22、题 2.5 渗透变形,土体稳定性有显著的影响。 渗透力方向与重 力一致，促使土 体压密、强度提,渗流方向近乎水平，使 土粒产生向下游移动的 趋势，对稳定不利。,土体内部应力状态变化,高，有利于土体 稳定。,a,c,渗流力与重力方向相,土体的局部稳定问题,土体的整体稳定问题,反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出。 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,管涌、流土等,水库塌岸 岸坡、土坝在水位 降落时引起的滑动,流土,11,2.5 渗透变形 一、渗透变形的基本形式 渗透变形（渗透破坏）：土工建筑物及地基由于渗流作用 而出现的变形或破坏。 基本类型,2.5

23、渗透变形 1. 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。 坝体 粘性土k1k2,流土 管涌,渗流,砂性土k2,形成条件,防治措施,流土或流砂主要发生在地基和土坝下游渗流溢出处，其发生一 般是突发性的，对工程危害极大。 2.5 渗透变形 流土临界水力坡降 若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增 大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增 大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克 服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受 到破坏，即流土。 土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土 时，土柱压在滤网上的压力R0，故,流 砂,所以 从而,W-J-R0 即 L- jL0 j w icr icr /

24、 w,由, =,(G s 1) w 1 + e,icr =,G s 1 1 + e,与土的密实程度有关,PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 ,现象,位置,土类,后果,12,2.5 渗透变形 2. 管涌 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 管涌 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。,2.5 渗透变形,管涌 管涌破坏,原因： 内因 有足够多的粗颗粒形 成大于细粒径的孔隙通道 外因渗透力足够大,管涌处 管涌处冒出泥水 2.5 渗透变形 流土与管涌的比较,北江大堤石角段管涌及水井冒砂,流土 土体局部范围的颗粒同时发 生移动 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,管涌 土