第二章 渗透性与渗流

1、2. 2. 渗透系数渗透系数 1. 1. 渗透规律渗透规律达西定律达西定律适用条件适用条件影响因素影响因素确定方法确定方法实际应用实际应用成层地基成层地基vk i评价水在土中渗透规律，关键是要解决好两个问题评价水在土中渗透规律，关键是要解决好两个问题： 1. 确定渗透系数渗透系数 2. 确定水力坡降水力坡降 4）实际应用实际应用2）绘制方法绘制方法3）流网特点流网特点1）基本要求基本要求正交性；各个网格的长宽比取c=1，即为曲边正方形；在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。与上下游水位变化无关， h=const；等势线上各点测管水头H相等；与k k无关。iiiikv确定边界流线和首尾等

2、势线流线等势线反复修改，调整；一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。本节要点本节要点：流网的绘制及应用流网的绘制及应用 测管水头：测管水头： =位置水头压力水头位置水头压力水头 水力坡降：水力坡降：ilhi/ zwHH()iiiikvhMkMqqhkslhkqiiiii ; 确定孔压：确定孔压： 确定流速：确定流速： 确定流量确定流量：压力水头压力水头3 3）平面渗流条件下的渗透力）平面渗流条件下的渗透力 复杂条件复杂条件总渗透力总渗透力 J 大大 小小： j x 网格面积网格面积 方方 向向： 与流线一致与流线一致 作用点作用点： 形心形心 流网流网ijihl/2 2）受力分析）受

3、力分析1. 1. 渗透力渗透力1 1）试验观察）试验观察HH00lisi2） 渗透稳定渗透稳定 crsiiiF试验确定试验确定公式计算公式计算经验估计经验估计 允许水力坡降允许水力坡降（视土类及破坏类型而定视土类及破坏类型而定）实际水力坡降实际水力坡降（由流网求出由流网求出） 流土流土：1.52.1（开始至破坏时间短开始至破坏时间短）管涌管涌 ：稍小一些稍小一些（开始至破坏历时长开始至破坏历时长）1） 基本类型基本类型 ：2. 2. 渗透变形渗透变形 流土与管涌流土与管涌 1. 1. 有效应力原理有效应力原理饱和土饱和土孔隙水孔隙水固体颗粒骨架固体颗粒骨架+ +两相系两相系 土有两个承担和传递

4、力的系统：土骨架和孔隙流体土有两个承担和传递力的系统：土骨架和孔隙流体； 饱和土是土骨架和孔隙水所组成的两相系饱和土是土骨架和孔隙水所组成的两相系； 作用在饱和土上的力由骨架和孔隙水共同承担作用在饱和土上的力由骨架和孔隙水共同承担； 由土骨架承担的力，主要是通过颗粒之间的接触点由土骨架承担的力，主要是通过颗粒之间的接触点 传递的，称之为粒间作用力，记为传递的，称之为粒间作用力，记为P Ps s； 由孔隙水承担的力，一般仅是球应力。孔隙水所承由孔隙水承担的力，一般仅是球应力。孔隙水所承 受的法向应力或者球应力可以通过彼此连通的孔隙受的法向应力或者球应力可以通过彼此连通的孔隙 水传递，称之为孔隙水

5、压力，记为水传递，称之为孔隙水压力，记为u uPSPSaa)(zs 总应力总应力 粒间传递的压力粒间传递的压力 + 孔隙水压力孔隙水压力 )(zsz APsv 饱和土的有效应力原理揭示了饱和土饱和土的有效应力原理揭示了饱和土所承受的总应力、粒间传递的应力和孔所承受的总应力、粒间传递的应力和孔隙水压力三者之间的关系隙水压力三者之间的关系。1. 1. 有效应力原理有效应力原理aaPSPS)(zzs uuAAAPwvS 取单元体取单元体： 1 1）饱和土饱和土aaPSPS应力状态分析应力状态分析)(zzs 定义：有效应力定义：有效应力 01 swAAA u 饱和土有效应力原理揭示了外力作用下土体中一

6、点的总应力、有效压力饱和土有效应力原理揭示了外力作用下土体中一点的总应力、有效压力和孔隙水压力三者之间的关系和孔隙水压力三者之间的关系1. 1. 有效应力原理有效应力原理 列平衡方程列平衡方程： SvPwSAAA uwvSAuPA )(zzs 物理本质物理本质:a. a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。1. 1. 有效应力原理有效应力原理u u 孔隙水压力的作用孔隙水压力的作用 对摩擦、土颗粒破碎没有贡献，它在各个方向相等，只能使对摩擦、土颗粒破碎没有贡献，它在各个方向相等，只能使土颗粒本

7、身受到静水的压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本土颗粒本身受到静水的压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身不会有压缩变形。孔隙水压力对变形强度没有直接的影响，又称之身不会有压缩变形。孔隙水压力对变形强度没有直接的影响，又称之为为中性应力中性应力。1. 1. 有效应力原理有效应力原理b. b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a. a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。u 变形的原因变形的原

8、因1mu=10KPa104mu=100MPa海床对土粒的反力哪一种情况下要更大一些？海床对土粒的反力哪一种情况下要更大一些？ 哪个土粒更容易被推动？哪个土粒更容易被推动？颗粒相对滑移、滚动（克服滑动摩擦颗粒相对滑移、滚动（克服滑动摩擦 ） 与 成正比接触点处应力过大而破碎接触点处应力过大而破碎 与 有关大孔隙消失大孔隙消失 细粒土受到剪压作用细粒土受到剪压作用与 有关 孔隙水压力的作用孔隙水压力的作用1. 1. 有效应力原理有效应力原理b. b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a. a. 揭示了饱

9、和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。物理本质物理本质:u 强度的成因强度的成因土的强度以摩阻力为主土的强度以摩阻力为主摩擦强度摩擦强度（砂土砂土）1. 1. 有效应力原理有效应力原理 变形的原因变形的原因 孔隙水压力的作用孔隙水压力的作用b. b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a. a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力

10、和孔隙水压组成的。物理本质物理本质:uc. c. 有效应力原理应用的关键是测算土中的孔隙水压力有效应力原理应用的关键是测算土中的孔隙水压力 总总应力应力 可确定可确定 有效应力有效应力 不可测不可测 孔隙水压力孔隙水压力 u 可测定或算定可测定或算定 室内试验方法室内试验方法：模拟现场应力应变条件，测定孔压大小变化模拟现场应力应变条件，测定孔压大小变化 ； 原位测定方法原位测定方法：在现场埋设孔压传感器：在现场埋设孔压传感器测定测定 几种常见条件几种常见条件下可以计算下可以计算； 对对加载条件、边界条件均较复杂的加载条件、边界条件均较复杂的情况，计算方法很复杂情况，计算方法很复杂, , 其中许

11、多课题目前还有待研究其中许多课题目前还有待研究。算定算定1. 1. 有效应力原理有效应力原理b. b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制a. a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的u物理本质物理本质: uH 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件自重应力自重应力sz sz=z z， sz sz是指有是指有效应力，地下水位以下效应力，地下水位以下sz sz 计算

12、采计算采用浮容重用浮容重, ,是因为静水压力对土骨架是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，从有效应力原理的角度讲，u u=wwz zww（存在着孔隙水压力存在着孔隙水压力）。）。HwZzwsatzH wwz wzH 0 uH wwwzzH 水平地基水平地基zzu注意注意孔隙水压力孔隙水压力 = 静水压力静水压力 H 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件自重应力自重应力sz sz=z z， sz sz是指有是指有效应力，地下水位以下效应力，地下水位以下sz sz 计算采计算采用浮容

13、重用浮容重, ,是因为静水压力对土骨架是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，从有效应力原理的角度讲，u u=wwz zww（存在着孔隙水压力存在着孔隙水压力）。地下水位下降会引起地下水位下降会引起z z增大，增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因地面沉降的一个主要原因。HwZzwsatzH wwz wzH 0 uH wwwzzH 水平地基水平地基zzuH 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件自重应力自重应力sz sz=z z， s

14、z sz是指有是指有效应力，地下水位以下效应力，地下水位以下sz sz 计算采计算采用浮容重用浮容重, ,是因为静水压力对土骨架是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，从有效应力原理的角度讲，u u=wwz zww（存在着孔隙水压力存在着孔隙水压力）。地下水位下降会引起地下水位下降会引起z z增大，增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因地面沉降的一个主要原因。HwZz0 uH 地下水位下降引起地下水位下降引起z z 的增大的部分的增大的部分Z水平地基水平地基zzu上海市：上海市：

15、1 195895819641964，每年地下水位下降，每年地下水位下降1 12 2mm， 地面下沉速率地面下沉速率6 61010cm/ cm/ 年，累计达年，累计达1 12 2mm天津市：天津市：1959195919781978，地下水开采过量，每年地下水位下降，地下水开采过量，每年地下水位下降1 12 2mm， 地面下沉速率约地面下沉速率约5 5cm/ cm/ 年，年，2020年下沉达年下沉达1 1mm多多苏州市：苏州市：1 195795719831983，每年平均下沉，每年平均下沉 20 20 mm; mm; 1991199119941994 年，下沉量达年，下沉量达 40 40 cmcm

16、()wwHzHzZ海洋土层海洋土层HwZzzHsatw wwz z wHHw zzzzHwwww 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件海平面上升，只会海平面上升，只会海平面的水位变化是否会影响到有效海平面的水位变化是否会影响到有效应力变化？应力变化？引起引起z z与与u u增大，而增大，而z z与与H H和和z zww无关，不变化无关，不变化zzu海洋土层海洋土层HwZzzHsatw wwz z wHHw zzzzHwwww 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件zzu毛细饱和区毛细饱和区毛细饱和区毛

17、细饱和区2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件wZzch0 ucwh Huwwz 2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件 在重力作用下可在土中自由在重力作用下可在土中自由流动的水（与普通水相同）流动的水（与普通水相同） 作用作用 ：减轻土的有效重量减轻土的有效重量 重力作用下产生渗流重力作用下产生渗流 在重力与表面张力在重力与表面张力作用下可在土粒间孔作用下可在土粒间孔隙中移动的自由水隙中移动的自由水复习复习 结晶水结晶水 结合水结合水 自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水v土中水的形态与类型土中水的形

18、态与类型2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件 结晶水结晶水 结合水结合水 自由水自由水重力水重力水毛细水毛细水v土中水的形态与类型土中水的形态与类型复习复习毛细现象毛细现象 土中毛细现象土中毛细现象: : 1) 1) 非饱和土中的毛细水非饱和土中的毛细水: :吸附作用吸附作用 2) 2) 地下水位以上土层地下水位以上土层：毛细作用：毛细作用 2)2)对砂土强度的影响对砂土强度的影响: : 假粘聚力假粘聚力ccuh 2coscThr 毛细水压力毛细水压力：倒三角形分布倒三角形分布 上升高度上升高度：与毛细管半径成反比与毛细管半径成反比毛细饱和区毛细

19、饱和区wwz )(wcsatzhH wcsatwwwcsatzhHzzhH )(毛细饱和区毛细饱和区2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件wZzch0 ucwh Hzzu注意注意孔隙水压力孔隙水压力 = 静水压力静水压力 或或 毛细压力毛细压力2) 稳定渗流条件稳定渗流条件a-a水平面上的总应力水平面上的总应力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水压力水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力水平面上的有效应力 12121212:wwwwwwuHHHHHHb uHHHHHH 情情况况a a情情况况uzz 22:zwzwaHHbH

20、H 情况情况情况情况注意注意渗透压力与渗透力的区别渗透压力与渗透力的区别 前者为面力前者为面力wH，后者为体力后者为体力wi 。2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件Haab情况H1H2Haaa情况H1H22) 稳定渗流条件稳定渗流条件a-a水平面上的总应力水平面上的总应力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水压力水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力水平面上的有效应力 12121212:wwwwwwuHHHHHHb uHHHHHH 情情况况a a情情况况uzz 22:zwzwaHHbHH 情况情况情况情况2. 2. 饱和土

21、中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件Haab情况H1H2Haaa情况H1H2注意注意渗透压力渗透压力 = 总渗透力总渗透力 J / 渗流断面渗流断面A wi H2A /A = wH2) 稳定渗流条件稳定渗流条件a-a水平面上的总应力水平面上的总应力 22121HHHHHwsatwza-a水平面上的孔隙水压力水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力水平面上的有效应力 12121212:wwwwwwuHHHHHHb uHHHHHH 情情况况a a情情况况uzz 22:zwzwaHHbHH 情况情况情况情况2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件注意注意孔隙水压力孔隙水压力 = 静水压力静水压力 渗透压力渗透压力Haab情况H1H2Haaa情况H1H22) 稳定渗流条件稳定渗流条件2. 2. 饱和土中孔隙水压力的计算饱和土中孔隙水压力的计算 1) 静水条件静水条件Haaa情况H1H2向下渗流时的应力分布向下渗流时的应力分布2HwwuHHH12()12zwsatHHwH1 wH1 wH wH2 H2 wH zwHH2 wwuHHH12()zwHH2 2H12zwsatHHwH1 向上渗流时