《土的渗透性及渗流》PPT课件.ppt

导引：为什么要学土力学,渗透问题 强度问题 变形问题,3.1 概 述,渗流,渗透性,土具有被水、液体等透过的性质,水、液体等在土体孔隙中流动的现象,渗透：液体从物质微孔中透过的现象,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,防渗体,坝体,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？,3.1 概 述,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流：,3.1 概 述,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？,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,3.1 概 述,A,B,L,渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程,一、渗流中的水头与水力坡降,3.2 土的渗透性,水头（伯努利定理）： 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p/w：水体的压力势能（p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,3.2 土的渗透性,A点总水头：,水力梯度,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,水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失,3.2 土的渗透性,3.2 土的渗透性,2. 达西定律,渗透定律:,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。,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,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,3.2 土的渗透性,3.2 土的渗透性,3.2 土的渗透性,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: h，A，L=const,量测变量:渗水量Q，t,i=h/L,q=Q/t=Av,v=ki,3.2 土的渗透性,适用土类：透水性较大的砂性土,单位时间渗水量,达西定律,水力梯度,选择几组量测结果 ，取平均值,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量: h，t,适用土类： 透水性较小的粘性土,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,3.2 土的渗透性,室内试验方法2变水头试验法,在tt+dt时段内：,入流量： dVe= - adh,出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt,连续性条件：dVe=dVo,-adh =k (h/L)Adt,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,3.2 土的渗透性,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,取值,h=const,h变化,h，A，L,Q，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,室内试验方法小结,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2 土的渗透性,现场测定法3抽水试验,试验条件: Q=const,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,3.2 土的渗透性,量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？,A=2rh,i=dh/dr,计算公式：,3.2 土的渗透性,土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值愈大。 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，随细粒含量增加，K值急剧下降。,土的性质 水的性质,土的粒度成分 孔隙比 土的饱和度 结构和构造,2.影响因素,3.2 土的渗透性,是单位土体中孔隙体积的直接度量 土愈密实，孔隙比愈小，K值愈小。,土的性质 水的性质,土的粒度成分 孔隙比 土的饱和度 结构和构造,3.2 土的渗透性,一般情况下饱和度愈低，K值愈小。因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。,土的性质 水的性质,土的粒度成分 孔隙比 土的饱和度 结构和构造,3.2 土的渗透性,扰动土样比原状土样K值小 粘性土层中有很薄的砂土夹层，常使得k水平k垂直,土的性质 水的性质,土的粒度成分 孔隙比 土的饱和度 结构和构造,3.2 土的渗透性,水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k,土的性质 水的温度,粒径大小及级配 孔隙比 土的饱和度 结构和构造,3.2 土的渗透性,四、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透系数,天然土层多呈层状,3.2 土的渗透性,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,等效渗透系数:,水平渗流,3.2 土的渗透性,等效渗透系数:,3.2 土的渗透性,竖直渗流,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,3.2 土的渗透性,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,3.2 土的渗透性,层状地基的等效渗透系数,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 渗透系数影响因素,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,3.2 土的渗透性,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 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、拖拽力。,3.3 渗透破坏与控制,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土颗粒收到的渗流作用力，又称动水力,3.3 渗透破坏与控制,Gw V w= LA w w,P1 = whwAw,P2 = wh1Aw,P1 + Gw + J = P2,j = j = wh/L= wi,水柱整体受力分析-渗流,3.3 渗透破坏与控制,Gw,J,whwAw+ LA w w + j LAw = wh1Aw,J = j LAw,j L = wh1- whw- L w,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土颗粒收到的渗流作用力，它是一种体积力 大小： j = wi 方向：与水力梯度方向一致 作用对象：土骨架,3.3 渗透破坏与控制,当h逐渐增大，土体中的渗流力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗流力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏。这种现象叫做流砂或者流土现象。这种在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零，土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr：,渗透力-受力分析,临界水力梯度,icr =/w,3.3 渗透破坏与控制,icr取决于土的物理性质,由于,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,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,3.3 渗透破坏与控制,渗透变形 - 流土（流砂）,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,渗流,3.3 渗透破坏与控制,影响因素：土的颗粒级配、密度、透水性,Fs: 安全系数1.52.0, 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：,3.3 渗透破坏与控制,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,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,3.3 渗透破坏与控制,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,3.3 渗透破坏与控制,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,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,3.3 渗透破坏与控制,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动 或移动。,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,3.3 渗透破坏与控制,渗透变形的防治措施,减小i：上游延长渗径 减小水压差 增大i： 下游增加透水材料覆盖重力；土层加固,改善水力条件：减小水力梯度 改善几何条件：土的级配 渗流溢出部位设反滤层等,防治流土,防治管涌,3.3 渗透破坏与控制,工程实例 渗流问题,土的渗透性及渗透规律,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,渗透力：概念与计算 渗透变形：类型、条件、防治,本 章 小 结,解（1）设渗流经过A土后的水头降落值为h，经过B土后的水头降落值为hB。根据各断面的渗流,速度相等，有：VA=VB=VC 即：,（2）,如下图所示，有A、B、C三种土， 其渗透系数分别为 KA=110-2cm/s, KB=310-3 cm/s, KC=510-4 cm/s, 装在断面为10cm10cm的方管中，问：（1）渗透经过A土后的水头降落值h为多少？ （提示：A,B,C断面的渗流速度相等）（2）若要保持上下水头差h=35cm,需要每秒加多少水？,例题2,如图所示，在长为10cm、面积8cm2的圆筒内装满砂土。经测定粉砂的ds=2.65，e=0.90, 筒下端与管相连，管内水位高出筒5cm（固定不变），水流自下而上通过试样后溢流出去。试求（1）渗流力的大小，判别是否会产生流砂现象；（2）临界水力梯度值。,解（1）,因为 j ，所以不会发生流砂。,(2),例题3,某土石坝坝基表层土的平均渗透系数为K1=10-5cm/s，其下的土层