土力学-第2章

1、第二章第二章 土土的渗透性与土中渗流的渗透性与土中渗流2.1 概述概述2.2 渗流理论渗流理论2.3 流网及其工程应用流网及其工程应用2.4 土中渗流的作用力及渗透变形土中渗流的作用力及渗透变形 产生的问题产生的问题一、渗漏，造成水量损失 二、引起土体内部应力状态的变化，从而改变地基、边坡或土工建筑物的稳定条件。2.1 概述三、影响土体变形快慢。四、基坑排水。五、边坡稳定计算。本章着重本章着重讨论的问讨论的问题题三相系三相系多孔介质多孔介质孔隙流体孔隙流体孔隙流体流动孔隙流体流动能量差能量差浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流

2、2.1 概述透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流量渗流量渗透变形渗透变形板桩墙板桩墙2.1 概述渗流量渗流量渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流2.1 概述渗流滑坡渗流滑坡2.1 概述Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接直接80008000万美元，起万美元，起诉诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，32

3、32公里公里铁路铁路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂2.1 概述Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。2.1 概述Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加2.1 概述TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。2.1 概述11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。TetonTeton坝坝2.1 概述11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下TetonTeton坝坝2.1 概述12：00过后坍塌口加宽TetonTeton坝坝

4、2.1 概述洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝2.1 概述失事现场目前的状况TetonTeton坝坝2.1 概述2.2 渗流理论2.2.1 定义 定义：定义：土孔隙中的自由水在重力作用下发土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象称为生运动的现象称为水的渗透水的渗透，而土被水流，而土被水流透过的性质，称为透过的性质，称为土的渗透性土的渗透性。2.2.2 渗流模型 由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流层流2.2.2 渗流模型v 渗透速度（渗透速度（cm/s或或m/s

5、）；）；q 渗流量（渗流量（cm3/s后后m3/s）；）；i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次；水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次；h 试样两端的水位差，即水头损失；试样两端的水位差，即水头损失；L 渗径长度；渗径长度；k 渗透系数（渗透系数（cm/s或或m/s,m/d）；）；A 试样截面积（试样截面积（cm2或者或者m2）。）。2.2.2 渗流模型1856年法国学者年法国学者达西对砂土的渗达西对砂土的渗透性进行研究透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与试水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比样的水力梯度成正比v=ki达西定律达西定律渗透系数，水力梯渗透系数，

6、水力梯度为度为1 1时的渗透速度，时的渗透速度，单位：单位：cm/scm/s注意：注意：1.1.渗流速度并非真正流体速度渗流速度并非真正流体速度2.2.水力梯度也并非真正的水力水力梯度也并非真正的水力梯度梯度2.2.3 达西渗流定律一、达西定律kiv 达西定律达西定律砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 v=kiivO O砂土砂土2.2.3 达西渗流定律ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化0iv密实粘土密实粘土)(biikvv=kiivO O 砾土砾土v=ci1/2vcr二、达西定律适用范围二、达西定律适用范围2.2.4 渗流系数的确定 渗透系数的大

7、小是直接衡量土的透水性强弱的重要力渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验现场试验和和室内试室内试验验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验室内试验室内试验测定方法测定方法野外试验野外试验测定方法测定方法hQqtkiAtkAtL时间时间 t 内流出的水量内流出的水量QLkhAt

8、常水头试验常水头试验整个试验过程中水头保持不变给水给水排水排水试验中测取的量为：试验中测取的量为：h, t, Q一、常水头试验一、常水头试验 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-k10-3cm/s3cm/s）的土，例如砂土。）的土，例如砂土。 二、变水头试验二、变水头试验截面面积截面面积a变水头法在整个试验过程中，变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，水头是随着时间而变化的，试验装置如图，试样的一端试验装置如图，试样的一端与细玻璃管相接，在试验过与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时段内细玻璃程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可根据管中水位的变化，就可根据达西定律求出水

9、的渗透系数；达西定律求出水的渗透系数；粘性土，渗透系数小，流经粘性土，渗透系数小，流经水量少。水量少。 适用于粘性土，渗透系适用于粘性土，渗透系数小，流经水量少。数小，流经水量少。截面面积截面面积a设玻璃管的内截面积为设玻璃管的内截面积为a a，试验开始以后任一时刻试验开始以后任一时刻t t的的水位差为水位差为h h，经时段，经时段dtdt，细，细玻璃管中水位下落玻璃管中水位下落dhdh，则在，则在时段时段dtdt内流经试样的水量。内流经试样的水量。二、变水头试验二、变水头试验试验中测取的量试验中测取的量为：为：t1, t2, h1, h2hadhkAdtl1212ln()halkAtthad

10、hdQhdQkAdtl二、变水头试验二、变水头试验地下水位地下水位测压管水面测压管水面抽水量抽水量q qdhdrrhh1h2r1r2观察井观察井不透水层不透水层透水层透水层井井三、现场抽水试验三、现场抽水试验212212lnhhrrqk2102210(11.5)2kdkd e哈森太沙基四、经验公式四、经验公式1.1.土粒大小与级配土粒大小与级配 土粒越粗越均匀，渗透系数越大。粘粒含量越多，渗透系数土粒越粗越均匀，渗透系数越大。粘粒含量越多，渗透系数越小。越小。2.2.土的结构土的结构 3.3.渗透水的性质渗透水的性质 水平渗透系数一般大于竖向渗透系数。水平渗透系数一般大于竖向渗透系数。 动力粘

11、滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.4.土中封闭气体含量土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。体含量愈多，土的渗透性愈小。2020TTkk T、20分别为分别为T和和20时水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 五、影响渗透系数的因素五、影响渗透系数的因素土的渗透系数参考值土的渗透系数参考值土类土类渗透系数渗透系数k(cm/s)渗透性渗透性

12、卵石、碎石、砾石卵石、碎石、砾石10-1高渗透性高渗透性砂砂10-310-1中渗透性中渗透性粉土粉土10-410-3低渗透性低渗透性粉质粘土粉质粘土10-610-5极低渗透性极低渗透性粘土粘土10-7几乎不透水几乎不透水2.3 流网及其工程应用2.3.1 流网的性质02222yhxh一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 yxyqxqxxqqdxxyyqqdyyh 根据单位时间内流入单元根据单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的体的总水量必等于流出的总水量得：总水量得： 就渗流问题来说，一组曲线就渗流问题来说，一组曲线称为称为等势线等势线，在任一条等势线，在任一条等势线

13、上各点的总水头是相等的；另上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为一组曲线称为流线流线，它们代表，它们代表渗流的方向。等势线和流线交渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫织在一起形成的网格叫流网流网。二、方程的解二、方程的解 对于各向同性的渗透介质，流对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：网具有下列特征： （1 1）流线与等势线彼此正交；）流线与等势线彼此正交； （2 2）每个网格的长宽比为常数；）每个网格的长宽比为常数； （3 3）相邻等势线间的水头损失相等；）相邻等势线间的水头损失相等； （4 4）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。二、流网的性质二、流网的性质 三、典型流

14、网分析三、典型流网分析 远离坝底，流线远离坝底，流线稀疏，水力梯度稀疏，水力梯度小，渗透速度小小，渗透速度小接近坝底，流线接近坝底，流线密集，水力梯度密集，水力梯度大，渗透速度大大，渗透速度大2.4 土中渗流的作用力及渗透变形水在土中流动水在土中流动能量消耗能量消耗力图拖曳土粒力图拖曳土粒水头损失水头损失渗透水流施于单位土渗透水流施于单位土体内土粒上的力称为体内土粒上的力称为渗流力、动水压力。渗流力、动水压力。h000hwL贮水器贮水器土样土样滤网滤网a bh2h2h1h12.4.1 渗流力2.4.1 渗流力1 1点，渗流力与重力方向点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体一致，渗流力促使土体

15、压密，对稳定有利；压密，对稳定有利；2 2点，点，3 3点，渗流力与重点，渗流力与重力方向正交，对稳定不力方向正交，对稳定不利；利；4 4点，渗流力与重力方向点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。相反，对稳定特别不利。渗流力方向与渗透方向相同，大小取决渗流力方向与渗透方向相同，大小取决于水力梯度。即于水力梯度。即ijw2.4.1 渗流力 当渗流力和土的有效重度相同且方向相反时，土颗粒间的当渗流力和土的有效重度相同且方向相反时，土颗粒间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现象称为象称为流土流土，此时的水头梯度成为，此时的水头梯度

16、成为临界水力梯度临界水力梯度i icrcr。wjiscrw11Gie2.4.1 渗流力流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。土处于稳定状态土处于稳定状态土处于临界状态土处于临界状态土处于流土状态土处于流土状态2.4.1 渗流力2.4.2 渗透变形渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动流土流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动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。

17、它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。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：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。道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。2.4.2 渗透变形一、渗透变形的形式一、渗透变形的形式流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时发生移土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起动或局部土体表面隆起管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等