土力学第二章土的渗透性及渗流课件

1、 第一节 土的渗透定律 第二节 渗透系数及其测定 第三节 渗透力及临界水力梯度 第四节 二维稳定渗流问题（自学）主 要 内 容什么是土的渗透性和水的渗流？ 多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水透过的性质渗透特性强度特性变形特性能量差土颗粒土中水渗流土土的力学性质为什么要学习土的渗透性和水的渗流？土的渗透性和水的渗流（1） 渗透变形（破坏）问题（2） 渗流量的计算问题（3） 渗流变形控制问题工程活动直接影响 Teton大坝，位于美国爱达荷州的东南部，为高93m的土坝。1976年6月5日该坝完成后第一次蓄水时即发生破坏，造成11人死亡及数百万美元的损失。破坏是由

2、右岸距坝顶约40m处的一个漏洞引起的。1、渗透变形（破坏）问题因渗流造成土体变形甚至破坏2、渗流量的计算问题 土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算； 基坑开挖渗水量及排水量计算； 水井供水量估算等。土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流2、渗流量的计算问题渗流量渗透变形渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流2、渗流量的计算问题 基坑开挖降水井点降水管井降水渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q2、渗流量的计算问题渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流2、渗流量的计算问题 土石坝渗流的变形控制 基坑渗流的变形控制 滑坡的渗流稳定问题降雨

3、入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题3、渗流变形的控制问题降雨入渗引发滑坡降雨入渗引发滑坡3、渗流变形的控制问题2003年7月三峡库区湖北省秭归县发生的千将坪滑坡，该滑坡造成24人死亡，22艘船翻沉。3、渗流变形的控制问题库水位升降引发滑坡 一、水头 二、水力梯度 三、达西渗透定律 四、达西定律的适用范围第一节 土的渗透定律ABL透水层不透水层基坑板桩墙一、水头水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。总水头线AB0基准面水力坡降线土中渗流速度通常较小，可忽略，故有孔隙水压渗流速度势水头位置水头静水头压力水头动水头速度水头测压管水头水力梯度（坡降）hydraulic gra

4、dient测压管 piezometer tube单位流程的水头损失。总水头线AB二、水力梯度试验前提：层流h，q A，q L， q断面平均流速水力梯度1.达西渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件: h1，A，L=const量测变量: h2，V，th=h1-h2q=V/t三、达西渗透定律2.达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度i的一次方成正比，并与土的性质有关。注意：AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvqvA vsAvk: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力梯度i1时的渗流速度单位：

5、mm/s, cm/s, m/s, m/day土截面 适用条件：层流（线性流）按地下水的渗流状态四、达西渗透定律的适用范围线性流（层流）地下水的渗流速度与水力梯度成正比非线性流（紊流）地下水的渗流速度与水力梯度成非线性关系线性稳定流线性非稳定流非线性稳定流非线性非稳定流我们现在需要掌握和理解的达西定律达西定律适用 适用条件：层流（线性流）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Re进行判断：雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数 Re10时层流 Re 100时紊流 100

6、Re 10时为过渡区 （1）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/siivoi0 两种特例：（2）粘性土：致密的粘土 i i0 修正：v = k(i - i0 )vovcr 一、渗透系数的影响因素 二、渗透系数的测定方法 三、成层土的平均渗透系数第二节 渗透系数及其测定粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）水的动力粘滞系数一、渗透系数的影响因素D10 Hazen (1892)（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分有效颗粒尺寸effective grain sizeb. 不均匀系数Cu对渗透性的影响不大。砂土的渗透性由其中的小颗粒控制土中孔隙直

7、径大小是主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。D5 Kenney (1984) 渗透系数土粒特性对渗透系数的影响d. 细粒土的渗透性与液体的极性有关。 （Mesri and Olson， 1971）水四氯化碳或苯渗透系数：蒙脱石伊利石分散结构层状土：（2） 孔隙比或孔隙率对于同一种土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。不饱和土中气泡对渗透性的影响： 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。 还可能使渗透系数随时间变化， 甚至使流速与水力梯度不成线性关系 而偏离达西定律。（1）土的饱和度（2）水的动力粘滞度流体特性对渗

8、透系数的影响饱和度 sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)876543280 90 100温度高粘滞性低渗透系数大渗透系数的换算室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验二、 渗透系数的测定方法适用于砂土（1）常水头渗透试验constant head permeability test由Darcy定律并有渗透系数温度修正hL土样AVQ（2）变水头渗透试验 falling head permeability test适用于粘性土 流速计算 水力梯度由Darcy定律 渗透系数结果整理:选择几组h0, h1, t0 ，t1 ，计算相应的k，取平均值(3) 现场

9、抽水试验 pump test, permeability test适用于粗颗粒土由Darcy定律水力梯度平均流速（4）渗流速度测定试验适用于粗颗粒土水力梯度平均流速渗流速度由Darcy定律等效渗透系数天然土层多呈层状三、成层土的平均渗透系数确立各层的k考虑渗流方向H1H2H3Hhk1k2k3xzq1q3q2L1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:将土层简化为均质土，便于计算总流量等于各土层流量之和 （各层的水力梯度相等）水平渗流将土层简化为均质土，便于计算H1H2H3Hhk1k2k3xzvy承压水条件:等效渗透系数:竖直渗流将土层简化为均质土，便于计算总水头损失等于各土层水头损失之和（各

10、层的流速相等）例题分析解答： 按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制 一、渗透力 二、临界水力梯度 三、土的渗透破坏第三节 渗透力及临界水力梯度h200hwL土样贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 一、渗透力滤网h1hh200hwL土样滤网贮水器abR静水中的土体P2WP1A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( +

11、w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体静水中的土体R = L whR = L 渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？总渗透力J = wh单位体积的渗透力j = J/V = wh/L = wij = wi渗透力是土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。渗透力为体积力，方向与渗流方向一致。临界水力梯度P2WP1A=1二、临界水力梯度 有效应力effective stress土颗粒之间的作用力。R 临界水力梯度critical hydraulic gradient有效应力为0时对应的水力梯度。此时土将发生渗透破坏。此时土体处于失重或悬浮状态。iic 不稳

12、定土体是否发生渗透破坏的判别基本类型 流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件 三、土的渗透破坏算例分析 流 土（流砂quick sand 、翻砂 boil sand） 在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。 发生条件 要 求 管涌 piping 在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失孔隙增大，渗流速度增加粗粒流走贯通的水流通道土体塌陷。 发生条件（2）级配（1）无粘性土且满足一定的级配条件（3）水力梯度级配连续 i = 0.150.25级配不连续 i = 0.100.20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