土渗透性与渗流问题

土渗透性与渗流问题第一页，共32页。复习2.渗透系数

1.渗透规律达西定律适用条件影响因素确定方法实际应用成层地基第二页，共32页。评价水在土中渗透规律，关键是要解决好两个问题：

1.确定渗透系数k

2.确定水力坡降

i复习第三页，共32页。4）实际应用2）绘制方法3）流网特点1）基本要求正交性；各个网格的长宽比取c=1，即为曲边正方形；在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。与上下游水位变化无关，Δh=const；等势线上各点测管水头H相等；与k无关。确定边界流线和首尾等势线→流线→等势线→反复修改，调整；一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。本节要点：流网的绘制及应用

测管水头：

=位置水头＋压力水头水力坡降：

确定孔压：

确定流速：

确定流量：压力水头复习第四页，共32页。3）平面渗流条件下的渗透力复杂条件总渗透力J

大小：j

x

网格面积

方向：与流线一致

作用点：形心

流网2）受力分析1.渗透力1）试验观察H△H00lisi第五页，共32页。2）渗透稳定试验确定公式计算经验估计

允许水力坡降（视土类及破坏类型而定）实际水力坡降（由流网求出）

流土：1.5～2.1（开始至破坏时间短）管涌：稍小一些（开始至破坏历时长）1）基本类型

：2.渗透变形

流土与管涌

第六页，共32页。

土的渗透性与渗透规律2-12-2

平面渗流与流网2-3渗透力与渗透变形讲授内容2-4有效应力原理及应用

土的渗透性与渗透规律2-1第七页，共32页。1.有效应力原理饱和土孔隙水固体颗粒骨架+两相系

土有两个承担和传递力的系统：土骨架和孔隙流体；

饱和土是土骨架和孔隙水所组成的两相系；

作用在饱和土上的力由骨架和孔隙水共同承担；

由土骨架承担的力，主要是通过颗粒之间的接触点传递的，称之为粒间作用力，记为Ps；

由孔隙水承担的力，一般仅是球应力。孔隙水所承受的法向应力或者球应力可以通过彼此连通的孔隙水传递，称之为孔隙水压力，记为uPSPSaa2.4有效应力原理及应用第八页，共32页。

总应力

粒间传递的压力

+

孔隙水压力

饱和土的有效应力原理揭示了饱和土所承受的总应力、粒间传递的应力和孔隙水压力三者之间的关系。1.有效应力原理aaPSPSu2.4有效应力原理及应用第九页，共32页。①取单元体：1）饱和土aaPSPS应力状态分析定义：有效应力s’

饱和土有效应力原理揭示了外力作用下土体中一点的总应力、有效压力和孔隙水压力三者之间的关系1.有效应力原理②列平衡方程：2.4有效应力原理及应用第十页，共32页。物理本质:a.揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。1.有效应力原理2.4有效应力原理及应用第十一页，共32页。①孔隙水压力的作用

——

对摩擦、土颗粒破碎没有贡献，它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到静水的压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身不会有压缩变形。孔隙水压力对变形强度没有直接的影响，又称之为中性应力。1.有效应力原理b.揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a.揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。2.4有效应力原理及应用第十二页，共32页。②变形的原因1mu=10KPa104mu=100MPa试想：海床对土粒的反力哪一种情况下要更大一些？哪个土粒更容易被推动？颗粒相对滑移、滚动（克服滑动摩擦）——

与σ’成正比接触点处应力过大而破碎——

与σ’有关大孔隙消失——细粒土受到剪压作用——与σ’有关①孔隙水压力的作用1.有效应力原理b.揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a.揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。物理本质:2.4有效应力原理及应用第十三页，共32页。③强度的成因土的强度以摩阻力为主——摩擦强度（砂土）1.有效应力原理②变形的原因①孔隙水压力的作用b.揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。a.揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。物理本质:2.4有效应力原理及应用第十四页，共32页。c.有效应力原理应用的关键是测算土中的孔隙水压力

总应力

σ

——

可确定

有效应力

σ’

——

不可测

孔隙水压力

u

——

可测定或算定

室内试验方法：模拟现场应力应变条件，测定孔压大小变化；

原位测定方法：在现场埋设孔压传感器测定

几种常见条件下可以计算；

对加载条件、边界条件均较复杂的情况，计算方法很复杂,其中许多课题目前还有待研究。算定1.有效应力原理b.揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制a.揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的物理本质:2.4有效应力原理及应用第十五页，共32页。2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件①自重应力σsz=σz’，σsz是指有效应力，地下水位以下σsz计算采用浮容重,是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，u=γwzw（存在着孔隙水压力）。地下水位水平地基注意：孔隙水压力

=静水压力

2.4有效应力原理及应用第十六页，共32页。2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件①自重应力σsz=σz’，σsz是指有效应力，地下水位以下σsz计算采用浮容重,是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，u=γwzw（存在着孔隙水压力）。②地下水位下降会引起σz’增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。地下水位水平地基2.4有效应力原理及应用第十七页，共32页。2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件①自重应力σsz=σz’，σsz是指有效应力，地下水位以下σsz计算采用浮容重,是因为静水压力对土骨架的浮托力，减轻了土的有效重量，从有效应力原理的角度讲，u=γwzw（存在着孔隙水压力）。②地下水位下降会引起σz’增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。地下水位地下水位下降引起σz’的增大的部分水平地基上海市：1958－1964，每年地下水位下降1－2m，地面下沉速率6–10cm/年，累计达1－2m天津市：1959－1978，地下水开采过量，每年地下水位下降1－2m，地面下沉速率约5cm/年，20年下沉达1m多苏州市：1957－1983，每年平均下沉20mm;1991－1994年，下沉量达40cm2.4有效应力原理及应用第十八页，共32页。海洋土层问题：

2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件——海平面上升，只会海平面的水位变化是否会影响到有效应力变化？引起σz与u增大，而σz’与H和zw无关，不变化2.4有效应力原理及应用第十九页，共32页。海洋土层2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件2.4有效应力原理及应用第二十页，共32页。毛细饱和区毛细饱和区2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件2.4有效应力原理及应用第二十一页，共32页。2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件

在重力作用下可在土中自由流动的水（与普通水相同）作用：减轻土的有效重量重力作用下产生渗流

在重力与表面张力作用下可在土粒间孔隙中移动的自由水复习

结晶水结合水自由水重力水毛细水土中水的形态与类型2.4有效应力原理及应用第二十二页，共32页。2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件

结晶水结合水

自由水重力水毛细水土中水的形态与类型复习毛细现象

土中毛细现象:

1)非饱和土中的毛细水:吸附作用

2)地下水位以上土层：毛细作用

2)对砂土强度的影响:假粘聚力

毛细水压力：倒三角形分布

上升高度：与毛细管半径成反比2.4有效应力原理及应用第二十三页，共32页。毛细饱和区毛细饱和区2.饱和土中孔隙水压力的计算

1)静水条件注意：孔隙水压力

=静水压力

或

毛细压力2.4有效应力原理及应用第二十四页，共32页。2)稳定渗流条件a-a水平面上的总应力a-a水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力注意：渗透压力与渗透力的区别－前者为面力γwΔH，后者为体力γwi

。2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件△HaaH1H2△HaaH1H22.4有效应力原理及应用第二十五页，共32页。2)稳定渗流条件a-a水平面上的总应力a-a水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件△HaaH1H2△HaaH1H2注意：渗透压力

=总渗透力

J/渗流断面A＝γwiH2A/A

=γwΔH2.4有效应力原理及应用第二十六页，共32页。2)稳定渗流条件a-a水平面上的总应力a-a水平面上的孔隙水压力a-a水平面上的有效应力2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件注意：孔隙水压力

=静水压力

±渗透压力△HaaH1H2△HaaH1H22.4有效应力原理及应用第二十七页，共32页。2)稳定渗流条件2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件△HaaH1H2向下渗流时的应力分布向上渗流时的应力分布2.4有效应力原理及应用第二十八页，共32页。2)稳定渗流条件2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件稳定渗流条件下，有效应力原理恒成立；

渗透压力是引起孔隙水压力的原因之一，可使有效应力增大或减小。2.4有效应力原理及应用第二十九页，共32页。2)稳定渗流条件2.饱和土中孔隙水压力的计算1)静水条件孔隙水压力u

=压力水头hu

x

gw=(测管水头h–位置水头hz)

x

gwH△H00lisi平面渗流条件复杂渗流条件流场中任意点的孔隙水压力计算：2.4有效应力原理及应用第三十页，共32页。三种成因的孔压u

均不随时间而变化，孔压u的大小及分布取决于三种压力的大小及分布。

对自重应力作用的情形，饱和土中孔隙水压力u可以由三种原因引起：