土力学地基与基础课程讲义3土的渗透性

第3章土的渗渗透性性和渗渗流力力碎散性性多孔介介质三相体体系孔隙流流体流流动渗透渗透性性土具有有被水水、气气等液液体透透过的的性质质渗透特特性强度特特性变形特特性非饱和和土的的渗透透性饱和土土的渗渗透性性概述述能量差差水、气气等在在土体体孔隙隙中流流动的的现象象渗流量量渗透变变形石坝浸润线线透水层层不透水水层石坝坝坝基坝坝身渗渗流渗透压压力渗流量量渗透变变形透水层层不透水水层基坑板桩墙墙板桩围围护下下的基基坑渗渗流渗流量量渗透变变形渗透压压力渗流滑滑坡土的渗渗透性性及渗渗透规规律二维渗渗流及及流网网渗透力力与渗渗透变变形水头梯度土坡稳定分分析§3.2土的渗透性性与渗透规规律一．渗流中中的水头与与水力坡降降二．渗透试试验与达西西定律三．渗透系系数的测定定及影响因因素能量方程渗流速度的的规律渗透特性四．层状地地基的等效效渗透系数数地基的渗透透系数一、渗流中中的水头与与水力坡降降ABL透水层不透水层基坑ABLh1h2zAzBΔh00基准面z：位置水头头A点总水头：：B点总水头：：总水头：水力坡降：：二、渗透试试验与达西西定律试验前提：：层流断面平均流流速水力坡降1.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，TΔh=h1-h2Q=V/T2.达西定律渗透定律在层流状态态的渗流中中，渗透速速度v与水力坡降降i的一次方成成正比，并并与土的性性质有关。。注意：V：假想渗流流速度，土土体试样全全断面的平平均渗流速速度Vs：实际平均均渗流速度度，孔隙断断面的平均均渗流速度度A>AvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透透水性能的的比例系数数，称为渗渗透系数物理意义：：水力坡降降i＝1时的渗流速速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：①砾石类土土中的渗流流不符合达达西定律②砂土中渗渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s适用条件ivovcrivi0层流（线性流流）——大部分砂砂土，粉土；；疏松的粘土土及砂性较重重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)三、渗透系数数的测定及影影响因素室内试验测定定方法常水头试验法法变水头试验法法井孔抽水试验验井孔注水试验验1.测定方法野外试验测定定方法室内试验方法法1—常水头试验法法结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的的砂性土室内试验方法法2—变水头试验法法试验装置：如图试验条件:Δh变化，A，L=const量测变量:Δh，t对于透水性较较小的粘性土土，应采用变水头头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的的k，取平均值常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，，取均值a，A，LΔh，t室内试验方法法不同时段试验验，取均值适用粗粒土粘性土2.影响因素土粒特性流体特性粒径大小及级级配孔隙比矿物成分结构和构造水的动力粘滞滞系数（水温温）饱和度（含气气量）—对k影响很大，封封闭气泡四、层状地基的等等效渗透系数数等效渗透系数数确立各层的ki根据渗流方向向确定等效渗渗流系数天然土层多呈呈层状H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiH1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗渗流v承压水水条件:等效渗渗透系系数:vi=ki(Δhi/Hi)水平渗渗流情情形垂直渗渗流情情形条件已知等效推定§3.3平面渗渗流与与流网网Laplace方程一、平面渗渗流的的基本本方程程及求求解连续性性条件件假定：Δh对于稳稳定渗渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽宽：dy=1与时间间无关关达西定定律平面渗渗流的的基本本方程程1.基本方方程连续性性条件件达西定定律假定Laplace方程①与kx,kz无关②满足足它的的是两两个共共轭调调合函函数————势函函数和和流函函数特点描述渗渗流场场内部部的测测管水水头的的分布布，是是平面面稳定定渗流流的基基本方方程式式2.求解方方法基本方方程边界条条件解析方方法适用于于边界界条件件简单单的情情况通解：：两个个共轭轭调和和函数数势函数数Φ(x,z)流函数数Ψ(x,z)等势线线流线边界条条件特定解解二、流流网的的绘制制及应应用流网———渗流场场中的的两族族相互互正交交曲线线———等势势线和和流线线所形形成的的网络络状曲曲线簇簇。流线———水质点点运动动的轨轨迹线线。等势线线———测管水水头相相同的的点之之连线线。。流网法法———通过绘绘制流流线与与势线线的网网络状状曲线线簇来来求解解渗流流问题题。基本要要求1.正交性性：流流线与与等势势线必必须正正交H△h0lsls2.各个网网格的的长宽宽比c应为常常数。。取c=1，即为曲曲边正正方形形3.在边界界上满满足流流场边边界条条件要要求，，保证证解的的唯一一性。。ABCDlsH△h00ls绘制方方法根据渗渗流场场的边边界条条件确定边边界流流线和和首尾尾等势势线正交性性曲边正正方形形流线→等势线线→反复修修改，，调整整精度较较高的的流网网图初步绘绘制流流网流网特特点与上下下游水水位变变化无无关Δh=const；与k无关；；等势线线上各各点测测管水水头h相等；；相邻等等势线线间的的水头头损失失相等等；各流槽槽的渗渗流量量相等等。总水头头差△h实际应应用确定流流速确定流流量水力坡坡降§3.4渗透破破坏与与控制制一、渗渗透力力（动水水力））试验观观察Δh>0水在流流动时时，水水流受受到来来自土土骨架架的阻阻力，，同时时流动动的孔孔隙水水对土土骨架架产生生一个个摩擦擦、拖拖曳力力。渗透透力力j———渗渗透透作作用用中中，，孔孔隙隙水水对对土土骨骨架架的的作作用用力力，，方方向向与与渗渗流流方方向向一一致致。。渗透透变变形形渗透透力力Δh=0静水水中中，，土土骨骨架架会会受受到到浮浮力力作作用用。。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abh200hwL土样样滤网网贮水水器器abP2WP1R静水水中中的的土土体体A=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L土水水整整体体分分析析h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L－γwΔh渗流流中中的的土土体体静水水中中的的土土体体R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流流中中的的土土体体向上上渗渗流流存存在在时时，，滤网网支支持持力力减减少水与与土土之之间间的的作作用用力力－－渗渗流流的的拖拖曳曳力力总渗渗透透力力J=γwΔh渗透透力力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwi---体体积积力力R=γ’L－γwΔh渗流流中中的的土土体体所所受受滤滤网网支支持持力力向上上渗渗流流存存在在时时，，滤滤网网支支持持力力减减少少临界界水水力力坡坡降降i=Δh/L=γ’/γwicr=γ’/γwγ’L－γwΔh=0渗透透力力的的性性质质物理理意意义义：：单位位土土体体内内土土骨骨架架所所受受到到的的渗渗透透水水流流的的拖拖曳曳力力，，它它是是体积积力力j=γwi大小小：：方向向：：与渗渗流流方方向向一一致致作用用对对象象：：土骨骨架架利用用流流网网求求渗渗透透力力复杂条件件总渗透力力大小小：jx网格面积积方向向：与流线一一致作用点：：形心流网较密密处i较大，该该处渗透透力也大大不同位置置的渗透透力对土体稳定定性的影影响不同同H△h0lsls基本类型型二、渗透变形形（渗透透破坏坏）流土管涌土工建建筑物物及地地基由由于渗渗流作作用而而出现现的变变形或或破坏坏形成条条件防治措措施1.流土在向上上的渗渗透作作用下下，表表层局局部土土体颗颗粒同同时发发生悬悬浮移移动的的现象象。粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：：形成条条件Fs:安全系系数1.5～2.0[i]:允许坡坡降i<icr:i=icr:i>icr:土体处处于稳稳定状状态土体发发生流流土破破坏土体处处于临临界状状态经验判判断：：管涌2.管涌原因：：内因——有足够够多的的粗颗颗粒形形成大大于细细粒直直径的的孔隙隙外因——渗透力力足够够大在渗流流作用用下，，一定定级配配的无无粘性性土中中的细细小颗颗粒，，通过过较大大颗粒粒所形形成的的孔隙隙发生生移动动，最最终在在土中中形成成与地地表贯贯通的的管道道。管涌破坏流土与与管涌涌的比比较流土土体局局部范范围的的颗粒粒同时时发生生移动动管涌只发生生在水水流渗渗出的的表层层只要渗渗透力力足够够大，，可发发生在在任何何土中中破坏过过程短短导致下下游坡坡面产产生局局部滑滑动等等现象位置土类历时后果土体内内细颗颗粒通通过粗粗粒形形成的的孔隙隙通道道移动动可发生生于土土体内内部和和渗流流溢出出处一般发发生在在特定定级配配的无无粘性性土或或分散散性粘粘土破坏过过程相相对较较长导致结结构发发生塌塌陷或或溃口口3.防治措措施增大[i]：下游增增加透透水盖盖重防治流土减小i：上游延延长渗渗径；；下游减减小水水压防治管涌改善几几何条条件：：设反滤滤层等等改善水水力条条件：：减小渗渗透坡坡降3.4.1概概述述土体受受力后后的三三个问问题：：三相如如何分分担外外力？？全部部由颗颗粒承承担？？三相间间的应应力如如何传传递和和相互互转化化？它们与与土的的变形形和强强度有有何关关系？？§3-4有效应应力原原理●四大定定律：：1压缩定定律（（de=-adp）2Coulomb强度定定律3Dachy定律(v=ki)4有效应应力原原理构成了了整个个土力力学学学科的的结构构体系系。●有效应应力原原理描述总总应力力、有有效应应力和和孔隙隙压力力三者者之间间的关关系的的理论论原理理.当土体体承受受力系系时，，作用用于任任一平平面上上的总应力力是由土土骨架架所发发挥的的有效应应力和孔隙隙中流流体所所承受受的孔隙压压力来共同同承担担。Terzaghi1925年最先先提出出§3-4有效应应力原原理3.4.2有有效效应力力原理理●表表达达式式（饱和和土、、非饱饱和土土）●实验验验证●几点说说明●不同条条件、、不同同土有有效应应力的的物理理含义义●有效应应力原原理的的工程程应用用§3-4有效应应力原原理●表达式式A=As+Aw+AaP=Ps+Pw+PaPs=sAsPw=wAwPa=aAaP=sAs+uwAw+uaAaP=Ps+Pw+PaA=As+Aw+Aaa总应力力：=P/A=ss+uww+uaa(s+w+a=1)※对对于完完全饱饱和土土，有有：ua=0,Aa=0,a=0只有：：s+w=1或或w=1-s于是：：=ss+uww=ss+uw(1-s)=ss+uww=ss+uw(1-s)分析：：(1)As值极小，<1%～1‰，可忽忽略，即：：s0;(2)s非常大，可可达材料屈屈服应力，，(ss)不会趋近近零，形成了一个个实在量:土骨架的粒粒间应力，用’表示，即’=ss=’+uw※对于部分饱和土土（非饱和和土）1955,毕肖普Bishop提出：式中:———由由孔隙气气压力；——由孔孔隙水压力力（总小于于孔隙气压压力，导致致孔隙水表面受受张力作用用）；——毛细细水压力；；——与饱饱和度有关关的系数：：饱和土，，；；理想干土，，。。说明：非饱和土研研究尚处于于起步阶段段，有待深深入研究，，但较复杂杂。●实验验证●几点说明※土的有效应应力与粒间间应力具具有有相同的含含义。※物理内涵：实质上是对对于总应力力作用面积积上经过过土土颗粒之间间传递的平平均应力。。※有效应力不不可测，只只能测孔隙隙水压力，，反算之※孔隙水压力力各向相等等，因而不不会造成土土体压缩；；※有效应力属属于土颗粒粒骨架间的的直接作用用力,只只有有效应应力会导致土土体产生压压缩变形、、发生强度度变化，因因此，土土体变变形、破坏坏研究的关关键在于土土体有效应应力。●不同条件、、不同土有有效应力的的物理含义义(1)极细细粒土：分分子间的作作用力有效应力粒间应力与与分子作用用力的综合合反映(2)高塑塑性饱和细细粒粘土：：粒间水膜膜很厚，土土粒尖很少少有接触有效应力主要反映为为颗粒之间间的分子力力；(3)非饱饱和土：孔孔隙压力孔隙气压力力+孔孔隙水压力力●有效应力原原理的工程程应用各类设计计计算问题———“有效效应力法””●地基沉降计计算，地下下水位以下下均采用土土体有效自自重应