lecture02s_土的渗透性与土中渗流

1、12第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定 第第4节节 有效应力原理有效应力原理 第第5节节 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 第第6节节 二维渗流和流网二维渗流和流网3碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差能量差水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象 概概

2、 述述 概述概述 4土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n 土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动量高的点向能量低的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性 概概 述述 5 渗流量？渗流量？渗透变形渗透变形?石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层 概概 述述 渗透压力？渗透压力？6渗透压力

3、？渗透压力？渗流量？渗流量？渗透变形？渗透变形？透水层透水层基坑基坑板桩墙板桩墙 概概 述述 7渗流渗流量量渗透变渗透变形形渗透压渗透压力力渗流滑渗流滑坡坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形水头梯度水头梯度土坡稳定分析土坡稳定分析 概概 述述 8土的渗透性土的渗透性 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素能量方程能量方程渗流速度的规律渗流速度的规律渗透特性渗透特性四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数地基

4、的渗透系数 概概 述述 9第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定 第第4节节 有效应力原理有效应力原理 第第5节节 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 第第6节节 二维渗流和流网二维渗流和流网10一、渗流中的水头与水力坡降一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑 达达 西西 定定 律律 11ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面基准面wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi z：位置水头：位置水头 达达 西西 定定 律律

5、12二、渗透试验与达西定律二、渗透试验与达西定律试验前提：试验前提：层流层流LhAq断面平均流速断面平均流速水力梯度水力梯度Aqv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，V，Th=h1-h2q=V/T 达达 西西 定定 律律 132. 2. 达西定律达西定律ikv nvvvs 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。iv AAnv V V：假想渗流速度，土体试样

6、全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvqVA VsAvk k: : 反映土的透水性能的比例系数，称为反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day 达达 西西 定定 律律 14粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0

7、.3-0.5cm/sivovcrivi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土及砂性较重的粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 达达 西西 定定 律律 15第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定 第第4节节 有效应力原理有效应力原理 第第5节节 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 第第6节节 二维渗流和流网二维渗流和流网16一、渗透系数的测定及影响因素一、渗透系数的测

8、定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法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1. 1. 测定方法测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法 渗透系数的测定渗透系数的测定 室内试验方法室内试验方法- -常水头试验法常水头试验法n 试验条件试验条件: : h，A，L=constn 量测变量量测变量: 体积体积V，tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk hL土样土样AVQ 渗透系数的测定渗透系数的测定- -室内常水头试验室内常水头试验 室内试验方法室内试验方法- -变

9、水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件: :h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量: h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a 渗透系数的测定渗透系数的测定- -室内变水头试验室内变水头试验 土样土样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt21hht0h

10、dhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt室内试验方法室内试验方法- -变水头试验法变水头试验法21hhAtaLkln选择几组量测结果选择几组量测结果 ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值 渗透系数的测定渗透系数的测定- -室内变水头试验室内变水头试验 室内试验方法室内试验方法小结小结常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 渗透系数

11、的测定渗透系数的测定- -室内试验方法小结室内试验方法小结 现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层n 试验条件试验条件: : Q=constn 量测变量量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长观察井观察井渗透系数的测定渗透系数的测定- -现场抽水试验现场抽水试验 212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2 rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQn 计算公式

12、：计算公式：r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层dhdrh地下水位地下水位测压管水面测压管水面现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验渗透系数的测定渗透系数的测定- -现场抽水试验现场抽水试验 23渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 土的性质土的性质水的性质水的性质l水的动力粘滞系数（水温）水的动力粘滞系数（水温）l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 n 是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影响因素响因素n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成

13、的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：来表示，如哈臣公式：210dck 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的影响因素 渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 n 是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n 对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如之间的关系，如：)e

14、1e(fk)e1e(fk)e(fk322渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 n 对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，影响颗粒的表面力n 不同粘土矿物之间渗透系数相差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极大，其渗透性大小的次序为高岭石岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石 ；当粘土；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低其渗透性将越低n 塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗

15、粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 n 影响孔隙系统的构成和方向性影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大，对粘性土影响更大n 在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n 在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分

16、散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 渗透系

17、数的影响因素 n 水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数： 温度温度 ，水粘滞性，水粘滞性 ，k n 饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 30 分析下表的渗透系数值分析下表的渗透系数值: 可见：不同土类的渗透系数值差异很大可见：不同土类的渗透系数值差异很大 渗透系数参考值渗透系数参考值 渗透系数的测定

18、十分重要渗透系数的测定十分重要渗透系数的测定渗透系数的测定- -渗透系数参考值渗透系数参考值 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变，使得其总体的透水性不变 层状地基的层状地基的等效渗透系数等效渗透系数hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层等效渗透系数等效渗透系数: : iixHkH1kkxn 已知条件已知条件: :Lhiiiixxqq

19、iHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数 层状地基的层状地基的水平等效渗透系数水平等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数 iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh iiiizkHvhhkvHn 已知条件已知条件: :n 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :v = kz (h / H )等效渗透系数等效渗透系数: : 层状地基的垂直层状

20、地基的垂直等效渗透系数等效渗透系数n 算例说明算例说明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hk1k2k3xz 层状地基的层状地基的等效渗透系数算例等效渗透系数算例35水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121i

21、Hkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk 渗透系数的测定渗透系数的测定 36第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定 第第4节节 有效应力原理有效应力原理 第第5节节 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 第第6节节 二维渗流和流网二维渗流和流网太沙基太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963)太沙基 土力学的奠基人1921-1923年提出土的有年提出土的有效应力原理和土的固结理效应力原理

22、和土的固结理论，论，1925年出版经典著作年出版经典著作土力学土力学，首次将各种，首次将各种土工问题归纳成为系统的土工问题归纳成为系统的有科学依据的计算理论，有科学依据的计算理论，奠定了他作为土力学创始奠定了他作为土力学创始人的地位人的地位 有效应力原理有效应力原理对所受总应力，骨架和孔隙对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？流体如何分担？它们如何传递和相互转化？它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何它们对土的变形和强度有何影响？影响？外荷载外荷载 总应力总应力 n 土体是由固体颗粒骨架、孔隙流土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体（水和气）三相构成的碎散材体（水和气）三相构成的碎散材料，受

23、外力作用后，料，受外力作用后，总应力由土总应力由土骨架和孔隙流体共同承受骨架和孔隙流体共同承受Terzaghi的有效应力原理和固结理论的有效应力原理和固结理论有效应力原理有效应力原理 有效应力原理有效应力原理外荷载外荷载 总应力总应力 饱和土中的应力形态饱和土中的应力形态n 饱和土是由固体颗粒骨架和充满饱和土是由固体颗粒骨架和充满其间的水组成的两相体。受外力其间的水组成的两相体。受外力后，后，总应力分为两部分承担：总应力分为两部分承担：F由土骨架承担，并通过颗粒之间由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之的接触面进行应力的传递，称之为为粒间应力粒间应力F有由孔隙水来承担，通过连

24、通的有由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，称之为孔隙水传递，称之为孔隙水压力孔隙水压力。孔隙水不能承担剪应力，但能承孔隙水不能承担剪应力，但能承受法向应力受法向应力 有效应力原理有效应力原理外荷载外荷载 总应力总应力 AaaPsv接触点接触点PsA A：A Aw w：A As s：土单元的断面积土单元的断面积颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积u wsvAuPA a-aa-a断面竖向力平衡：断面竖向力平衡：wSAAA uAAAPwsv 有效应力有效应力 1饱和土有效应力原理饱和土有效应力原理 有效应力原理有效应力原理饱和土的有效应力原理饱和土的有效应力原理F饱和土体内

25、任一平面上受到的总应力可分为两部饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分分 和和u u，并且：，并且：F土的变形与强度都只取决于有效应力土的变形与强度都只取决于有效应力u 有效应力有效应力总应力已知或易知总应力已知或易知孔隙水压测定或计算孔隙水压测定或计算u 有效应力原理有效应力原理有效应力原理有效应力原理 孔隙水压孔隙水压力的作用力的作用 有效应力有效应力的作用的作用 它在各个方向相等，只能使土颗粒它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，导致孔隙体积发生变化。由移动，导致孔隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒于颗粒本身压

26、缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小本身压缩变形极小 水不能承受剪应力，对土颗粒间摩水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献擦、土粒的破碎没有贡献 因而孔隙水压力对变形强度没有直因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力接影响，称为中性应力 有效应力原理有效应力原理有效应力原理有效应力原理 孔隙水压孔隙水压力的作用力的作用 有效应力有效应力的作用的作用 是土体发生变形的原因：是土体发生变形的原因：颗粒间克服摩擦相对滑移、颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触点处由于滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与应力过大而破碎均与有有关关 是土体强度的成因：土的是土体强度的成因：土的

27、凝聚力和粒间摩擦力均与凝聚力和粒间摩擦力均与有关有关 有效应力原理有效应力原理有效应力原理的讨论有效应力原理的讨论 讨论讨论讨论：讨论：海底与地面土粒间的接触海底与地面土粒间的接触压力哪一种情况下大？压力哪一种情况下大？1mz=u=0.01MPa104mz=u=100MPa 有效应力原理有效应力原理sat H H1 1H H2 2地面地面地下水位地下水位自重应力情况自重应力情况n 静水条件：静水条件：地下水位地下水位 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量 = H1+ satH2 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = wH2 有效应力：有效应力： = -u =

28、H1+( sat- w)H2 = H1+ H2 = =-u-uu=u= w wH H2 2u=u= w wH H2 2 H H1 12sat1HH A（-) 有效应力原理有效应力原理2sat1HH H H1 1地面地面A地下水位地下水位自重应力情况自重应力情况n 静水条件：静水条件：水位下降水位下降 总应力：总应力： = H1+ satH 2 孔隙水压力：孔隙水压力： u = wH 2 有效应力：有效应力： = -u 地下水位下降会引起地下水位下降会引起 增大，土会产生压缩，增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因沉降的一个主要原因sat H H1 1H

29、H 2 2u=u= w wH H 2 2 = =-u-u(-)u=u= w wH H 2 2地下水位下降引地下水位下降引起起 增大的部分增大的部分 有效应力原理有效应力原理自重应力情况自重应力情况n 静水条件：静水条件：海洋土海洋土 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量 = wH1+ satH2 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = w(H1+H2) 有效应力：有效应力： = -u = H2sat w H H1 1H H2 2= -uu=u= w w(H(H1 1+H+H2 2) )地面地面水位水位2sat1wHH w wH H1 1Au=u= w w(H(H

30、1 1+H+H2 2) )(-) 有效应力原理有效应力原理自重应力情况自重应力情况n 稳定渗流条件：稳定渗流条件：Hh砂层（排水）砂层（排水） satsat向下渗流向下渗流Hh砂层砂层( (承压水承压水) )粘土层粘土层 satsat向上渗流向上渗流 有效应力原理有效应力原理自重应力情况自重应力情况n 稳定渗流条件：稳定渗流条件：向上渗流向上渗流AHh砂层砂层( (承压水承压水) ) satsat向上渗流向上渗流土水整体分析土水整体分析hHw 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量 = satH 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = w(H+ h) 有效应力：有

31、效应力： = -u = satH- wH- w h = H - w h渗透压力，向上渗流使得有效应力减小渗透压力，向上渗流使得有效应力减小 有效应力原理有效应力原理自重应力情况自重应力情况n 稳定渗流条件：稳定渗流条件：向下渗流向下渗流A土水整体分析土水整体分析hHw 总应力：总应力： = satH 孔隙水压力：孔隙水压力：u = w(H- h) 有效应力：有效应力： = -u = satH- wH+ w h = H + w hHh satsat向下渗流向下渗流砂层（排水）砂层（排水）渗透压力，向下渗流使得有效应力增加渗透压力，向下渗流使得有效应力增加可导致土层发生压密变形，称渗流压密可导致土

32、层发生压密变形，称渗流压密 有效应力原理有效应力原理51第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定 第第4节节 有效应力原理有效应力原理 第第5节节 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 第第6节节 二维渗流和流网二维渗流和流网52广州京广广场基坑塌方广州京广广场基坑塌方 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 九江大堤决口九江大堤决口1998年年8月月7日日13:10发生管涌险情，很快发生管涌险情，很快形成宽形成宽62m的溃口的溃口堤基管涌堤基管涌焦点词汇：豆腐渣工程焦点词汇：豆腐渣工程原因原因

33、 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗流力渗流力- -试验观察试验观察n h=0 h=0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。n h0 h0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗流力渗流力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致的作用力，方向与渗流方向一致 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗流力渗流力- -试验观察试验观察h1hh200h

34、wL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗流力渗流力 j j：体积力：体积力渗流力渗流力j j：单位土体内土骨架：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 截面积截面积A=1h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗流力渗流力- -受力分析受力分析WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整体受力分析土水整体受力分析- -静水静水 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗流力渗流力- -

35、受力分析受力分析截面积截面积A=1WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- -渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗流力渗流力- -受力分析受力分析R = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- 对比对比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网

36、支持力减少网支持力减少R = L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗流力：总渗流力： J=J= w w h hF 渗流力渗流力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j = J/V = w h /L = wi 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少。力减少。当滤网支持力为零当滤网支持力为零时的水力坡降称为时的水力坡降称为临界水力临界水力坡降坡降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：流土破坏时的水力坡降：渗透力渗透力- -受力分析受力分析渗流力渗流力- -受力分析

37、受力分析R = L - w h=0n 临界水力坡降临界水力坡降h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr = h/L = / we11Gws)(e11Giscr由于由于icr取决于土取决于土的物理性质的物理性质 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 = + WW Ww土水土水 = 土骨架土骨架 + 孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水隔离受力分析土水隔离受力分析渗流力渗流力- -受力分析受力分析渗渗R = L- w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W =L 总渗流力：总渗流力：J=Lj滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压

38、力：水压力：P1= whw P2 = wh1总渗流力：总渗流力：J =J水重水重+浮力反力：浮力反力： Ww =Vv w+Vs w=L w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j = wi土骨架受力平衡土骨架受力平衡 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗流力的性质渗流力的性质F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F大小：大小： j = j = w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现

39、的变形或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破坏称为渗透变形或渗透破坏渗透破坏。渗透变形是土工。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型建筑物发生破坏的常见类型n基本类型：基本类型：管涌管涌 流土流土渗透破坏渗透破坏单一土层渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式的两种基本型式 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 渗透变形渗透变形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，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

40、土破坏力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流crii e11GiscrF 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 坝体坝体渗透变形渗透变形 管涌管涌F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，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地表贯通的管

41、道渗流渗流过程演示过程演示1. 在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3. 形成贯穿的渗流通道形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷，造成土体塌陷 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 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土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动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

42、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现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 scrFiiiFs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降F i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：流土可能性的判别流土可能性的判别n

43、在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和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：一水力条件，均要发生流土： 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 n 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非粘性土（分散性土例外）属于非管涌土管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相无粘性土中发生管涌必须具备相应的应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能性的判别管涌可能性的判别 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 较均匀土较均匀土（CuC

44、u 1010） 几何条件几何条件 水力条件水力条件n 无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F发生管涌

45、的发生管涌的必要条件必要条件：粗颗：粗颗粒所构成的孔隙粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径大于细颗粒直径直径 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 几何条件几何条件 水力条件水力条件n 无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别F 渗流力能够渗流力能够带动细颗粒在孔带动细颗粒在孔隙间滚动或移动隙间滚动或移动。可用管涌临界。可用管涌临界水力坡降表示水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌水力坡降水力坡降级配连续土级配连续土级配不连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降允许坡降 i0.15-0.250

46、.1-0.2伊斯托敏娜（苏）伊斯托敏娜（苏）中国学者中国学者 Cu 20时时, icr =0.25-0.30， 考虑安全系数后：考虑安全系数后： i=0.10-0.15 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗透破坏的防治措施渗透破坏的防治措施 scrFiiiF减小减小i i：上游延长渗径：上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压F增大增大i： 下游增加透水下游增加透水 盖重盖重 改善几何条件：设反滤层等改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降改善水力条件：减小渗透坡降n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌 渗流力和渗透破坏渗流力和渗透破坏 71第第2 2章章 土的渗透性与土中渗流土的渗透性与土中渗流 第第1节节 概述概述 第第2节节 达西定律达西定律 第第3节节 渗透系数的测定