土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定

1、土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性2. 渗流引起的问题 (Problems induced by seepage)（1）渗漏 (Leakage)（2）渗透破坏 (Seepage failure)（3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工 Impact consolidation, strength, stability of soils and project con

2、struction透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗流问题：1. 渗流量Q？2. 降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1. 渗流量？2. 渗透破坏？3. 渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例渗流问题：1. 渗流量？2. 地下水影响 范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1. 渗透力？2. 入渗过程？事故实例渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程地下工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性4.2 土的渗透性Section 2 Permeability

3、of soils4.2.1 水头与水力梯度 Water head and hydraulic gradient1. 水头及其类型（Water head and its types）(1) 位置水头 Elevation head z(2) 压力水头 Pressure head(3) 流速水头 velocity head(4) 总水头 Total head (4-1)2. 水力梯度（Hydraulic gradient）4.2.2 达西定律 Darcys law1. 达西定律的内容 砂土中的渗透流量 Q 与水头差 (h1-h2) 成正比， 与渗径 L 成反比 (4-5) 图4-2 达西砂土试验装置

4、(4-6, a)LAh1h2QQ透水石引入水力坡降，则上式可改写为： Q = kiA上式还可写为：式中，k 称为土的渗透系数 (Coefficient of permeability) (cm/s)。(4-7)(4-6, b)2. 达西定律的适用范围 (Applicable scope)（1）粗粒土小于临界流速 (Critical velocity) Vcr（图4-3）（2）密实粘土大于起始水力坡降 (Incept hydraulic gradient) ib（图4-4）达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数

5、，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度达西定律的适用范围 适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速 (m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂h10dvRe=Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区 4.2.3 土的渗透系数及其测定 Permeabili

6、ty coefficient of soils and its measurement1. 渗透系数的物理意义 (Physical meaning)2. 坝基土层渗透性分类（1）强透水层 (Strong permeable layer) (k10-110-2 cm/s)（2）中等透水层 (k10-210-4 cm/s) Moderate permeable layer（3）相对不透水层 (k10-410-7 cm/s) Relative impermeable layer 3. 室内渗透试验 (Permeability test in door)（1）常水头 粗粒土 Constant head

7、 permeability test for coarse-grained soil(4-9)土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahL土样AVQ变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪（2）变水头 细粒土 Falling head permeability test for fine-grained soil两边积分，得(4-10)(4-11)室内试验方法小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值h=consth变化h，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土渗透系数的测定方法 常水头试验法 变水头试验法

8、井孔抽水试验 井孔注水试验 室内试验方法 野外试验方法4. 现场渗透试验 (Permeability test in site) （自学）（1）抽水法 (Pumping test)（2）注水法 (Water injection test)5. 经验估算法 (Empirical estimate formula) 常见的渗透系数的经验计算公式见P73表41。 常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表42。4. 现场渗透试验 (Permeability test in site) （自学）（1）抽水法 (Pumping test)（2）注水法 (Water injection test)5. 经

9、验估算法 (Empirical estimate formula) 常见的渗透系数的经验计算公式见P73表41。 常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表42。现场测定法抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层 试验条件: Q=const 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 缺点：费用较高，耗时较长观察井4.3 渗流作用下的应力状态Section 3 Stress state under seepage4.3.1 静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a) Effective stress and pore water press

10、ure in static water4.3.2 稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 Effective stress and pore water pressure in case of stable seepage1. 向下渗流的情况 (图4-8(b) Case of seepage downwards由试样22截面的受力平衡 (Static equilibrium) 得：(4-16)(4-17)由有效应力原理得：2. 向上渗流的情况（图4-5 (c)）Case of Seepage upwards由有效应力原理得：(4-17, a)(4-17, b)3. 结论 (Conclusions

11、)（1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（2）有效应力状态与渗流作用的方向有关4.4.1 渗透力 (Seepage force) 1. 总渗透力 (Total seepage force)2. 渗透力 j3. 有效应力状态的两种表示方法（1）试样的浮重度与土骨架所受的渗透力 j表示(4-18)(4-17, c)4.4 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability of soils渗透变形（Seepage failure）（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)）4.4.2 渗透破坏的形式 (Types of seepage fai

12、lure)1. 流土 (Heaving, Boiling)（图4-9 (b)）2. 管涌 (Piping) （图4-9 (a)）3. 接触流失 (Contact lose) 4. 接触冲刷 (Contact scouring) 图4-9渗透变形 - 流土流土：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，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流 原因：与土的密实度有关坝体渗透变形 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 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

13、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4.4.3 渗透破坏的判别 (Judgement)1. 粘性土和均匀砂 流土 Cohesive soil and uniform sand2. 级配不连续的砂砾石 Discontinuously graded sandy gravel（1）填料含量 (Filling content)35%流土（3）填料含量 (Filling content)2535%过渡型 (Transition

14、type)3. 级配连续的砂砾石 Continuously graded sandy gravel（1）平均孔隙直径D0可流动填料直径d5管涌 Mean void diameter Flowable filling diameter d5Piping（2）平均孔隙直径D0可流动填料直径d3流土（3）平均孔隙直径D0介于可流动填料直径d3 d5之间过渡型4.4.4 渗透破坏的临界坡降 Critical hydraulic gradient of seepage failure1. 流土 (Boiling)(图4-10) 当 时， 代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)粘性土发生流土破坏

15、的经验临界坡降 (Experiential values) 0.81.2允许抗渗坡降 i: 一般砂土=0.40.5；细粒含量大于35%砂砾料0.50.8 Allowable seepage resistant gradient 实际允许坡降较大，粘性土可达46(4-21,a)(4-21,b)（1）icr 是 Cu 的函数（图4-11(a)）（2）icr 决定于细粒填料的含量（图4-11(b)） 砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。(4-23)2. 管涌 (Piping)图4-11Fs: 安全系数1.52.0 i : 允许坡降 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

16、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：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较均匀土（Cu10） 几何条件 水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d0=0.25d20细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d0 d5d0 = d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料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

17、 几何条件 水力条件无粘性土管涌的判别 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土过渡管涌水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）中国学者 Cu 20时, icr =0.25-0.30， 考虑安全系数后： i=0.10-0.15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

18、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透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施 减小i：上游延长渗径 下游减小水压增大i： 下游增加透水 盖重 改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降 防治流土 防治管涌工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网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平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用 渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某

19、一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析h=h(x,z), v=v(x,z)与时间无关 稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流h平面稳定渗流渗流的连续性方程 单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程： 单位时间内流出单元的水量: 连续性条件:dxdzvxvzxz渗流的运动方程 达西定律： 渗流的连续性方程：渗流的运动方程：特例：各向同性均质土体 kx=kzLaplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程H1H21231水头边界条件 在边界1上给定水头12流速边界条件 在边界2上给定法向流速43渗出面

20、在边界3上H=z，vn0自由水面* 在边界4上H=z，vn=0渗流的边界条件4平面稳定渗流问题描述 运动方程： 边界条件：水头边界条件 在边界1上给定水头12流速边界条件 在边界2上给定法向流速43渗出面 在边界3上h=z，vn0自由水面* 在边界4上h=z，vn=0或：数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法1. 平面稳定渗流的基

21、本方程 Basic differential equation of Plane steady seepage2. 流网及其特性（图4-13） Flow net and its properties3. 水力要素的计算 Calculation of hydraulic parameters(4-23,c)4.5 平面渗流和流网的应用Section 5 Plane seepage and application of flow net流网及其特性流线和等势线正交流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差不变流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1在流场中，流线和等势线（等水头

22、线）组成的网格称为流网+d +dvsl图4-13（1）孔隙水压力 (Pore water pressure) u（2）水力坡降 (Hydraulic gradient) i（3）渗流量 (Seepage discharge) 对各向同性土体 (For isotropic soil)(4-26,a)(4-26,b)(4-25)(4-24)4.6 有关土渗透性的几个问题Section 6 Several problems of permeability of soils4.6.1 影响土的渗透性的因素 Effect factors on soil permeability1. 土粒大小和级配 (P

23、article size and grading)（1）土粒大小特征直径 (Characteristic diameter) d20（2）细颗粒含量 (Fine particle content)（图4-14(a)）（3）含砾量 (Gravel content) （图4-14(b)）（4）粘土颗粒的矿物成份 (Mineralogical composition)(4-27)饱和曲线含水量 wWop干容重 dmax1含水量 w渗透系数 k絮状结构 分散结构渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素 水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道 土的性质 水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构图 4-11图4-142. 土的密度（孔隙比或孔隙率）（图4-15） Soil density (Void ratio or porosity)3. 水的动力粘滞系数 Coefficient of dy