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文档简介

1、土的渗透性和渗流问题和测定方法3.1 土的渗透问题概述3.2 达西渗透定律3.4 二维渗流与流网3.5 渗透力与渗透变形土力学3.6 渗流工程问题与处理措施主要内容3.3 渗透系数及其测定方法浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时,地下水向隧道内流动 在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象称为渗透 3.1 土的渗透问题概述第三章 土的渗透性与渗流问题3.1 土的渗透问题概述研究土的渗透性主要包括以下三个方面的内容: 1.渗流量问题土中渗流力过大会引起土颗粒的移动,产生渗透变形如:土坝坝体及渠道渗流量的计算渗流量和渗透变形不满足设计要求,应采取工程措施基坑开挖时排水量的计

2、算,水井供水量计算等 2.渗透变形问题如:地面隆起现象(流土)、细粒被带出现象(管涌) 3.渗流控制问题土体中的孔隙的形状和大小是很不规则的,水流在孔隙中的流动是比较复杂的水流现象,由于孔第三章 土的渗透性与渗流问题3.2 达西渗透定律隙较小,因此渗透水流的水头损失很大,流速较慢,流态一般属于层流流动一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论:水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度,即沿渗流方向单位距离的水头损失 3.2 达西渗透定律二、达西定律适用范围讨论:砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 密实的粘土,需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透

3、;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流,不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土3.2 达西渗透定律v=k(i-ib)3.3 渗透系数及其测定方法第三章 土的渗透性与渗流问题渗透系数K是单位水力坡度时的渗透流速,因此它可以反映土的渗透性的强弱,工程上按K值的大小把土分为:强透水性:K10-1- 10-2cm/s中等透水性:K=10-5- 10-2cm/s弱透水性:K10-3cm/s)3.3 渗透系数及其测定方法b.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积a任一时刻t的水头差为h,经时段dt后,细玻璃管中水位降落dh,在

4、时段dt内流经试样的水量 dV=adh 在时段dt内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量 积分 适用于透水性差,渗透系数小的粘性土 3.3 渗透系数及其测定方法三、影响渗透系数的因数2.土的密实度 1.土粒大小与级配 细粒含量愈多,土的渗透性愈小,例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时,砂土的渗透系数就会大大减小同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数土的密实度增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小3.3 渗透系数及其测定方法3.水的动力粘滞系数 4.土中封闭气体含量 封闭气体含量愈多,土的渗透性愈小T、20分别为T和20时水的动力

5、粘滞系数,可查表 三、影响渗透系数的因数3.3 渗透系数及其测定方法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土中封闭气体阻塞渗流通道,使土的渗透系数降低四、成层土的渗透系数1.水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和 达西定律整个土层与层面平行的等效渗透系数 平均渗透系数3.3 渗透系数及其测定方法2.垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理,通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量 垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in,总的

6、水力坡降为i 总水头损失等于各层水头损失之和 代入整个土层与层面垂直的等效渗透系数 3.3 渗透系数及其测定方法五、例题分析【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2,厚度为4cm,渗透仪细玻璃管的内径为,试验开始时的水位差为160cm,经时段15分钟后,观察得水位差为52cm,试验时的水温为30,试求试样的渗透系数 【解答】已知试样截面积A=30cm,渗径长度L=4cm,细玻璃管的内截面积 h1=160cm,h2=52cm,t=900s 试样在30时的渗透系数 3.3 渗透系数及其测定方法3.4 二维渗流与流网第三章 土的渗透性与渗流问题 工程中遇到的渗流问题,边界条件要复杂的

7、多,水流在形态上往往是二维或是三维的。 如:闸基的渗流、土坝的渗流等浸润线流线等势线下游上游abc根据水流的连续性方程达西渗透定律二维形式如下:可以得到二维渗流方程3.4 二维渗流与流网一、平面渗流的基本方程如果土为各向同性,上式可简化为Laplace方程常用的方法有:解析法、数值法和水电比拟法三种对于边界条件比较简单的渗流可采用解析法对于边界条件较复杂的渗流采用数值法和比拟法任何一种计算方法的结果都可以用流网来表示3.4 二维渗流与流网二、平面渗流方程的求解一、渗透力渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力3.5 渗透力与渗透变形第三章 土的渗透性与渗流问题水在土体中流动时,会力图拖曳土粒而消

8、耗部分能量引起水头的损失h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管,测压管水面高差h水流流经这段土体,受到土颗粒的阻力,阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为 土样面积根据牛顿第三定律,试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等,方向相反 3.5 渗透力与渗透变形渗流力的存在可以通过以下实验验证渗流作用于单位土体的力说明:渗透力j是渗流对单位土体的作用力,是一种3.5 渗透力与渗透变形体积力,其大小与水力坡降成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为kN/m3 abc渗透力方向与重力一致,促使土体压密、强度提高,有利于土体稳定渗流方向近乎水平,使土粒产生向下游移动的趋势,对稳定不利渗流力与重力

9、方向相反,当渗透力大于土体的有效重度,土粒将被水流冲出3.5 渗透力与渗透变形渗流力的存在,将使土体内部受力发生变化,这种变化对土体稳定性有显著的影响二、渗透变形按照渗透水流引起的局部破坏特征,渗透变形可以由于渗流力的存在,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动导致土体产生渗透变形问题1.渗透变形的形式 分为流土和管涌两种基本形式3.5 渗透力与渗透变形a.流土 流土在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土粒群体同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。 开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏。 细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏 3.

10、5 渗透力与渗透变形b.管涌管涌在渗流作用下,无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙,发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大,形成能穿越地基的细管状渗流通道,掏空地基或坝体,使其变形或失稳。 3.5 渗透力与渗透变形b.管涌管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处发展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏 发展型管涌土体一旦出现渗透变形,细小土粒连续不断的被带出,土体无法承受更大的水力坡度 非发展型管涌土体出现渗透变形后不久,细小土粒即可停止流失土体可以承受更大的水力坡度,随着水头的继续增加整个土体最后会以流土的型式破坏(过渡型土) 3.5 渗透力与渗

11、透变形除了最基本的流土和管涌破坏外,还有两种破坏型式一种是接触流失 3.5 渗透力与渗透变形当渗透水流垂直于渗透系数相差较大的两种土体接触面时,把细粒土带出并透过粗粒土而流失的现象 另一种是接触冲刷 当渗透水流平行于不同介质的接触面流动时,把颗粒带走的现象 渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关2. 流土和管涌的判别方法 粘性土由于粒间具有粘聚力,粘结较紧,一般不出现流土破坏 匀粒砂土,在一定的水力梯度下,局部地区较易发生管涌而只发生流土破坏;一般认为不均匀系数Cu5的砂土和砾石、卵石,分两种情况:出现管涌而会发生流土现象较小的水力坡降,细粒土容易流动发生管涌破坏3.5 渗透

12、力与渗透变形中国水科院的研究成果:天然无粘性土3.5 渗透力与渗透变形较均匀土流土型(Cu35%流土型P25%管涌型P=25-35%过渡型孔隙直径法细料含量法D0d5管涌型D0= d3 -d5过渡型op流土型op管涌型op过渡型说明跳过3.5 渗透力与渗透变形P 称为细料含量,对于级配不连续的土,是指小于粒组频率曲线中谷点对应粒径的土料含量;对于级配连续的土,指小于几何平均粒径 的土料含量d3 、d5 、d10 、d70 小于该粒径的土粒含量分别为3%、5%、10%和70%D0 土体孔隙的平均直径,可按D0 =0.63n d20 估算n为土的孔隙率, d20 为土的等效直径Pop 最优细料含量

13、,可按Pop =(0.3-n+3n2)/(1-n) 计算返回GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力坡降即为临界水力坡降或3.5 渗透力与渗透变形三、土的临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 在工程计算中,将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23),作为允许水力坡降i。 设计时,为保证建筑物的安全,将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内3.5 渗透力与渗透变形流土型土的临界水力坡降管涌型土的临界水力坡降3.5 渗透力与渗透变形土的临界水力坡降的影响因素a.临界水力坡降icr 和不均匀系数Cu的关系土的不均匀系数越大,临界水力

14、坡降越小b.临界水力坡降icr 和细粒含量P的关系土的细粒含量越多,临界水力坡降越大c.临界水力坡降icr 和渗透系数K的关系土的透水性越强(渗透系数越大),临界水力坡降越小,抵抗渗透变形能力越差坝体工程采用流网法,把渗流逸出处的流网网格的平均水力坡降作为出逸坡降3.5 渗透力与渗透变形渗流逸出处的实际水力坡降的计算方法,工程上通四、实际水力坡降的计算常采用流网法或改进阻力系数法(角点法)渗流逸出处网格水头损失网格在流线上的平均长度水闸工程可采用流网法或改进阻力系数法(角点法)可绘制出闸基础的渗透压力分布图,从而计算出渗流出口处的逸出坡降渗流出逸处的允许水力坡降i和实际水力坡降ie3.5 渗透

15、力与渗透变形因此在坝工设计和水闸设计中都必须进行渗透稳定确定后就可以判断土体是否会发生渗透变形若 iei 则土体处于破坏状态验算,要求闸(坝)基的水平段和出口段的实际渗透坡降分别小于其相应的允许值五、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=,孔隙比e=,下游渗流出口处经计算水力坡降ie为,若取安全系数Fs为,试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答】临界水力坡降 由于实际水力坡降i ei,故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏 允许水力坡降 3.5 渗透力与渗透变形一、渗流工程问题地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托3.6 渗流工程问题与处理措施 第三章 土的渗透性与渗流问题1.

16、地下水的浮托作用力,并对建筑物基础产生浮托力2.地下水的潜蚀作用下,土颗粒受到冲刷,将细颗粒冲走,破坏土的结构在施工降水等活动过程中产生水头差,在渗透力作用通常产生于粉细砂、粉土地层中 3.流砂4.地震液化在地震力的作用下,粉细砂地基产生液化,丧失承载在粉细砂地基中,由于渗流作用致使地下水位偏高能力,使建筑物遭到毁灭性破坏3.6 渗流工程问题与处理措施 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动,使地表塌井等工程活动中常出现 陷或建筑物的地基破坏,给施工带来很大的困难,影响建筑工程的稳定。 通常易在粉细砂和粉土地层中产生,在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打5.基坑突涌 当基坑下部有承压水层时

17、,开挖基坑减小了底板隔水3.6 渗流工程问题与处理措施 压水头压力会冲毁基坑底板,这种现象称为基坑突涌层的厚度,当隔水层较薄经受不住承压水头压力,承因此,基坑开挖时须满足条件 二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施挡下排”为原则,上游截渗、延长渗径,下游通畅渗3.6 渗流工程问题与处理措施 透水流,减小渗透压力,防止渗透变形 水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏” 或“上水平截渗 铺盖和水平铺设土工膜等工程措施在坝体上游设置水平铺盖,与坝体防渗体连接,延长了水流渗透路径,水平铺盖多采用粘土铺盖、砼3.6 渗流工程问题与处理措施 粘土铺盖垂直截渗 墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 垂直截渗能完全截断透水层,防渗效果更好。 砼防渗主要目的:延长渗径,降低上、下游的水力坡度,若设置反滤层 砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层,既可通畅水流,又起到保护土体、防3.6 渗流工程问题与处理措施 为某河堤基础加筋土工布反滤层 止细粒流失而产生渗透变形的作用。 反滤层可由粒径不等

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