土力学课件-4章(new).ppt

1、第四章 土的渗透性及渗透稳定,4.1 概述,土坝,水闸,水在重力作用下，在土的孔隙中发生流动的现象叫渗流。,渗流,All soils are permeable materials, water being free to flow through the interconnected pores between the solid particles.,土体具有被水等液体透过的性质，叫土的渗透性。,渗透性,Chapter 4 Permeability and seepage stability of soil,1、渗漏，水量损失,渗透问题研究的三大方面：,2、渗透破坏，渗透稳定性,渗透性,渗

2、流作用下应力状态,3、渗流控制(影响土体的固结、强度、稳定和工程施工),第二节 土的渗透性Section 2 Permeability of soils,一、水头与水力梯度 Water head and hydraulic gradient 1. 水头及其类型（Water head and its types） (1) 位置水头 z (2) 压力水头 (3) 流速水头 (4) 总水头,(4-1),2. 水力梯度（Hydraulic gradient）,(4-5),In one dimension, water flows through a fully saturated soil in ac

3、cordance with Darcys empirical law:,二、渗透试验和达西定律,层流：相邻两个水分子运动的轨迹平行而不混掺。,1856年，法国学者达西，饱和砂土,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,volume of water flowing per unit time cm3/s,cross-sectional area of soil corresponding to the flow Q cm2,discharge velocity cm/s,hydraulic gradient,the coefficient of perme

4、ability cm/s,Note:,1、达西定律算出的渗透速度是一个假想的平均流速，而不是水在土中实际的渗透速度。,Note:,2、 达西定律的适用范围：流动状态为层流的情况。,起始水力坡降ib,密实粘土,层流：相邻两个水分子运动的轨迹平行而不混掺。,1. 渗透系数的物理意义 (Physical meaning) 土的渗透系数 k 反映土渗透性的强弱，是常用的一个力学指标。,2. 坝基土层按透水强弱可划分为 （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 permeabl

5、e layer （3）相对不透水层 (k10-410-6 cm/s) Relative impermeable layer,The coefficient of permeability for coarse-gained soils can be determined by means of the constant head permeability test. For fine-grained soils the falling-head test should be used.,3. 室内渗透试验 (Permeability test in door) （1）常水头 粗粒土 Const

6、ant head permeability test for coarse-grained soil,(4-9),（2）变水头 细粒土 Falling head permeability test for fine-grained soil 两边积分，得,(4-10),(4-11),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

7、的各类土的渗透系数的变化范围见P73表42。,table4-2 各类土的渗透系数及渗透性能,k=210-2 cm/s，判别土类?,中砂,K10-7 cm/s,粘土, k=?,工程应用实际意义:,思考：,坝体填料选择依据等,1、土粒大小和级配,2、土的密度（孔隙比或孔隙率）,3、水的动力粘滞系数（水的温度）,4、土中封闭气体含量（饱和度）,The presence of a small percentage of fines in a coarse-grained soil results in a value of k significantly lower than the value fo

8、r the same soil without fines.,1、土粒大小和级配,无粘性土的渗透系数k与某一特征直径的平方成正比。,粉粒、粘粒含量对渗透系数的影响：,粉粒及粘粒对k的影响,含砾量与k的关系,含砾量对渗透系数的影响：,含砾量没有形成骨架（30%40%）时，渗透性大小取决于细料，含砾量增加可减小孔隙流槽尺寸，在一定程度上降低渗透性。,含砾量形成骨架（70%75%）时，渗透性大小取决于粗粒，而与细粒的含量和级配几乎无关，k随着含砾量的增加而增加。,For a given soil the coefficient of permeability is a function of voi

9、d ratio.,2、土的密度（孔隙比或孔隙率）,无粘性土,粘性土,3、水的动力粘滞系数（水的温度）,The coefficient of permeability also varies with temperature, upon which the viscosity of water depends.,4、土中封闭气体含量（饱和度）,封闭气体愈多，饱和度愈低，土的渗透性比完全饱和土降低。,The coefficient of permeability depends primarily on the average size of the pores, which in turn is

10、 related to the distribution of particle sizes, particle shape and soil structure. In general, the smaller the particles the smaller is the average size of the pores and the lower is the coefficient of permeability.The presence of a small percentage of fines in a coarse-grained soil results in a val

11、ue of k significantly lower than the value for the same soil without fines. For a given soil the coefficient of permeability is a function of void ratio. The coefficient of permeability also varies with temperature, upon which the viscosity of water depends.,4.3 渗流作用下的应力状态,渗流作用下的两种力系有效应力和孔隙水压力,第一种情况

12、（静水情况）：,无渗流，仅在自重应力作用下，静水情况下,11断面,22断面,11断面,22断面,自上而下的渗流,第二种情况（自上而下的稳定渗流）：,11断面,22断面,自下而上的渗流,第三种情况（自下而上的稳定渗流）：,无论第1种情况，渗流自上而下，或是第2种情况，渗流自下而上，渗流作用下的有效应力状态，当以整个土体为准时,可用试样的饱和重量 边界孔隙水压力差 表示。,渗流作用下的有效应力状态与渗流方向有关：,渗流自上而下，土体有效应力？,增加,渗流自下而上，土体有效应力？,减小,自下而上的渗流,自上而下的渗流,局部破坏：由于渗流作用，将土体中的细颗粒冲出、带走或局部土体产生移动，导致土体变形

13、，称为渗透变形（如闸、坝堤基础下地基中发生的流土和管涌现象） 整体破坏：渗流作用下整个土体产生滑动，导致破坏，称整体破坏（如岸坡或土坝在在水位骤降时由渗流引起的滑动）,第四节 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability of soils,一、渗流力 (Seepage force) 1. 总渗流力 (Total seepage force) J,第四节 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability of soils,土粒骨架对水流的阻力：,据土粒骨架受力的平衡条件有：,2.渗流力j,渗流作用于土骨架单位体积上的力。,i 水力坡降 hydraulic

14、gradient,体积力,3. 有效应力状态的两种表示方法,（1）试样饱和重量与边界上孔隙水压力差之和表示（式(4-17),渗流作用下的有效应力状态，当以整个土体为准时，可用试样的饱和重量 边界孔隙水压力差 表示。,渗流作用下的有效应力状态，当以土骨架为准时，可用试样的有效重度 土骨架上所承受的渗透力 表示。,两种力系表示方法，结果是一致的。,（2）试样的浮重度与土骨架所受的渗透力 j表示,二、渗透破坏的形式 (Types of seepage failure) 1. 流土 (Heaving, Boiling)（图4-9 (b)） 2. 管涌 (Piping) （图4-9 (a)） 3. 接触

15、流失 (Contact lose) 4. 接触冲刷 (Contact scouring),图4-9,概念：土体在渗流作用下发生的渗透失稳现象。,流土,在渗流作用下，粘性土或无粘性土某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。发生部位通常在渗流出逸处。,流土、管涌、接触流土、接触冲刷(填空及名词解释常考题目）,管涌,在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过其粗大孔隙发生移动或被水流带出的现象。发生部位可在渗流出逸处，也可在土体内部。,潜蚀现象,接触流土,渗流垂直于渗透系数相差较大的两层土的接触面流动时，将其中一层颗粒带出并通过另一层土的较大孔隙冲走的现象。,接触冲刷,渗流沿着不同介质的接触面流动时

16、，把颗粒带走的现象。,三、渗透破坏形式的判别,粘性土：流土破坏,无粘性土：,发生管涌的条件是粗颗粒构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，即填料能通过骨架的孔隙,Cu5的均匀土，破坏形式为流土。,2) Cu5的不均匀砂砾石，主要取决于级配情况和细粒含量,级配不连续,细料含量25,管涌型,细料含量35,流土型,细料含量2535,过渡型,Do可流动的填料直径d5 , 破坏形式为管涌；,土体的平均孔隙直径,Do可流动的填料直径d3 , 破坏形式为流土；,Dod3 d5 , 破坏形式为过渡型；,b. 级配连续,Exam:渗透破坏形式的判别 （p81例题41 ）,Review:,土坝,水闸,水在土的孔隙中发

17、生流动的现象叫渗流。,一、渗流,土体具有被水等液体透过的性质，叫土的渗透性。,二、渗透性,三、水在饱和土中渗流的基本规律,2、达西定律算出的渗透速度是一个假象的平均流速，而不是水在土中实际的渗透速度。,Note:,1、 达西定律的适用范围：流动状态为层流的情况。,四、土的渗透系数 k的测定：,渗流作用下的有效应力状态与渗流方向有关.,六、渗流作用下的应力状态,渗流作用下的有效应力状态，当以土骨架为准时，可用试样的有效容重 土骨架上所承受的渗透力 表示。,两种力系表示方法，结果是一致的。,七、渗透力,渗流作用于土骨架单位体积上的力。,体积力,八、渗透破坏的几种形式,流土,在渗流作用下，粘性土或无

18、粘性土某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。发生部位通常在渗流出逸处。,管涌,在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过其粗大孔隙发生移动或被水流带出的现象。发生部位可在渗流出逸处，也可在土体内部。,接触流土,渗流垂直于渗透系数相差较大的两层土的接触面流动时，将其中一层颗粒带出并通过另一层土的较大孔隙冲走的现象。,接触冲刷,渗流沿着不同介质的接触面流动时，把颗粒带走的现象。,九、渗透破坏形式的判别,粘性土：流土破坏,无粘性土：,Cu5的均匀土，破坏形式为流土。,2) Cu5的不均匀砂砾石，主要取决于级配情况和细粒含量,级配不连续,细料含量25,管涌型,细料含量35,流土型,细料含量2535,

19、过渡型,Do可流动的填料直径d5 , 破坏形式为管涌；,Do可流动的填料直径d3 , 破坏形式为流土；,Dod3 d5 , 破坏形式为过渡型；,b. 级配连续,渗透破坏：土体在渗流作用下发生破坏的现象。,四、渗透破坏的临界坡降(临界梯度）,临界坡降：土体开始发生渗透破坏时的水力坡降。,1、流土,在渗流作用下，粘性土或无粘性土某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。发生部位通常在渗流出逸处。,第四节 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability of soils,自下而上的渗流,有效自重,总渗透力,砂土发生流土破坏的经验临界坡降 (Experiential values

20、) 0.81.2 允许抗渗坡降 i:砂土=0.40.5；砂砾料0.50.8 Allowable seepage resistant gradient 粘性土实际允许坡降i较大，可达46,2、管涌,（1）icr 是 Cu 的函数（图4-8(a)） （2）icr 决定于细粒填料的含量（图4-8(b)）,(4-22),砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。,表42 砂砾料的抗渗坡降及允许值,Exam:抗渗坡降的确定 （p64例题41 ）,4.5 平面渗流和流网,(Seepage in two dimensions and flow nets),达西定律,In one dimension, Darcys

21、law:,土坝,水闸,实际工程中的二维或三维渗流举例：,The general case of seepage in two dimensions will now be considered. Initially it is assumed that the soil is homogeneous and isotropic with respect to permeability, the coefficient of permeability being k. In two dimensions, Darcys law:,土堤,土坝,If the soil is anisotropic

22、with respect to permeability, the coefficient of permeability being kx in x direction and ky in y direction. In two dimensions, Darcys law:,From equation of continuity and Darcys law in two dimensions, it is apparent to get Laplace equation:,isotropic soil,anisotropic soil,For the fluid assumed to b

23、e impressible , we have the equation of continuity.,Possible methods of solution are complex variable techniques, the finite difference method, the finite element method, electrical analogy and the use of hydraulic models. Computer software based on either the finite difference or finite element met

24、hods is widely available for the solution of seepage problems. However, relatively simple problems can be solved by the trial-and-error sketching of the flow net.,拉普拉斯方程的解答,流网 （flow net）,流网 （flow net）,a family of flow lines 流线：表示水流迹线的方向,a family of equipotentials 等势线：其上各点的测压管水位相同,The fundamental con

25、dition to be satisfied in a flow net is that every intersection between a flow line and equipotential must be at right angles.,相邻等势线间的水头损失相等，设等势线间隔数为n d（number of equipotential drops），上下游总水头差为h，相邻等势线间水头差hih/n d,任一点的孔隙水压力、水力坡降、流速、流量,Exam(P66例题42、例题43、例题44),Review 平面稳定渗流基本方程的解答,流网 （flow net）,isotropic

26、 soil,a family of flow lines 流线：表示水流迹线的方向,a family of equipotentials 等势线：其上各点的测压管水位相同,流网（flow net）特性,相邻流线之间为渗流流槽（flow channels）：各流槽的渗流量相等,相邻等势线间的水头损失相等,掌握：各水力要素的计算,土的渗透系数 k的影响因素(了解，课本P84),1、土粒大小和级配,2、土的密度（孔隙比或孔隙率）,3、水的动力粘滞系数（水的温度）,4、土中封闭气体含量（饱和度）,4.6 有关渗流的几个问题,isotropic soil,anisotropic soil,成层土体中的渗

27、流 （kx ，ky推证题常考题目）,沿x方向的平均渗透系数kx,沿y方向的平均渗透系数ky,总水头损失各层水头损失之和,成层土体中的渗流（推证题常考题目）,沿x方向的平均渗透系数kx,所用的两个物理概念： 总渗透量各层渗透水量之和； 各层的水头损失相等。 kx可近似由最透水一层的渗透系数和厚度控制,所用的两个物理概念： 总渗透量各层渗透量；总水头损失 各层水头损失之和。 ky可近似由最不透水一层的渗透系数和厚度控制,沿y方向的平均渗透系数ky,各向异性土体稳定渗流基本方程式的解答(了解）,转化坐标比尺,非饱和土的渗透规律（自学）,本章小结：,一、基本概念,土坝,水闸,水在土的孔隙中发生流动的现

28、象叫渗透。,1、渗透,土体具有被水等液体透过的性质,2、渗透性,3、水力坡降,4、临界水力坡降,土体开始发生渗透破坏时的水力坡降。,流土,临界坡降,允许抗渗坡降,5、渗透力,渗流作用于土骨架单位体积上的力。,体积力,6、渗透破坏的几种形式,流土,在渗流作用下，粘性土或无粘性土某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生移动的现象。发生部位通常在渗流出逸处。,管涌,在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过其粗大孔隙发生移动或被水流带出的现象。发生部位可在渗流出逸处，也可在土体内部。,接触流土,渗流垂直于渗透系数相差较大的两层土的接触面流动时，将其中一层颗粒带出并通过另一层土的较大孔隙冲走的现象。,接触冲刷,渗流沿着不同介质的接触面流动时，把颗粒带走的现象。,二、基本规律和基本原理,2、达西定律算出的渗透速度是一个假象的平均流速，而不是水在土中实际的渗透速度。,Note:,1、 达西定律的适用范围：流动状态为层流