土力學(xué)系列第3章土的滲透性和滲流

1、第第3章章 土的滲透性和滲流土的滲透性和滲流2021-10-223.1 3.1 概述概述主要內(nèi)容：土的滲透性和滲透規(guī)律研究對(duì)象：飽和土體“土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的” 土的滲透性問(wèn)題 土的固結(jié)問(wèn)題 土的毛細(xì)現(xiàn)象 凍結(jié)時(shí)水分移動(dòng)2021-10-22河灘路堤下的滲流河灘路堤下的滲流 3.2 土的滲透性和滲流定律3.2.1 滲透性土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。滲流模型基本假定： 不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；圖3-1 滲流模型 認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。 同一過(guò)水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真

2、實(shí)滲流的流量；圖3-1 滲流模型 任一界面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲流的壓力相等； 相同體積內(nèi)，滲流模型所受阻力與真實(shí)滲流相等。1.滲流速度 斷面面積為a，通過(guò)的滲透流流量為q，則平均流速為：v=q/a 真實(shí)滲流僅發(fā)生在孔隙面積a內(nèi)，因此真實(shí)流速為：v0=q/a 于是 v/v0=a/a=n “模型的平均流速要小于真實(shí)流速”能量是用水頭來(lái)表示，能量是用水頭來(lái)表示， bernoullis equationbernoullis equation：22wuvhzgz 位能水頭;u 靜水壓力;w水重度;h-總水頭wuhz2.水頭 如果忽略流速的影響，則如果忽略流速的影響，則v-流速aaahhz/aawh

3、ubbbhhz/bbwhuabhhh 3.水頭差(a點(diǎn)與b點(diǎn)) 水力梯度:單位流程總水頭的變化hil4.水力坡降 l水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；注意：l最關(guān)心的不是水頭而是水頭差；l水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動(dòng)。 例例3-1 求：（求：（1 1）截面的位置水頭、壓力水頭和總水頭）截面的位置水頭、壓力水頭和總水頭 （2 2）截面之間的水頭損失和水力梯度）截面之間的水頭損失和水力梯度解：解： (1) aa 截面5 1520azcm(2) cc 截面0cz 5wchcm5ccwchzhcm10wahcm30aawahzhcmcc取為基準(zhǔn)面(3) bb 截面5bzcm552511.25

4、;525bcbcaclhhhcml11.2556.25wbbbhhzcm5255abcabc總水頭變化：總水頭變化： 水力梯度：水力梯度： 30 11.25 18.75ababhhhcm11.25 5 6.25bcbchhhcm 251.2520acachil5255abcabc30 5 25acachhhcm 2021-10-22 法國(guó)學(xué)者達(dá)西(darcy),砂土實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1852-1855） 滲透速度與水頭梯度成正比：v=ki或 q=kia式中：v滲透速度(m/s)； i水頭梯度； k滲透系數(shù)(m/s)； q滲透流量(m3/s) a截面積。 圖3-4 darcy滲透定律3.2.2 darc

5、y滲透定律2021-10-22例題3-2 兩種土,土樣1位于土樣2的上部，長(zhǎng)度都是20cm,總水頭損失40cm，土樣l滲透系數(shù)為0.03cm/s，土樣2水力坡降為0.5。求土樣2的滲透系數(shù)和土樣1的水力坡降。圖3-4 darcy滲透定律解 水頭損失之和等于總水頭損失： h1+h2=h=40cm 根據(jù)水力坡降的概念，有 i2=h2/l2=0.5， 而l2=20cm得 h2=10cm h1=hh2=4010=30cm2021-10-22解 土樣1的水力坡降 i1=h1/l1=1.5水在土樣1和土樣2中滲流時(shí)的速度相同:v=k1i1=k2i2 得 k2=0.09cm/s。圖3-4 darcy滲透定律

6、例題3-2 兩種土,土樣1位于土樣2的上部，長(zhǎng)度都是20cm,總水頭損失40cm，土樣l滲透系數(shù)為0.03cm/s，土樣2水力坡降為0.5。求土樣2的滲透系數(shù)和土樣1的水力坡降。達(dá)西定律只適用于層流適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土不適合。 圖3-5 水力坡度與滲流速度關(guān)系3.2.3 darcy定律適用范圍 粘土不完全符合達(dá)西定律，需進(jìn)行修正圖3-6 砂土和粘土的滲透規(guī)律粘土中存在起始水頭梯度i0修正后：v=k(i-i0) 圖3-6繪出砂土與粘土的比較。 關(guān)于起始水力坡降是否存在也有不同觀點(diǎn)。3.2.4 滲透系數(shù)的測(cè)定測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)-適用于中、粗砂變水頭

7、試驗(yàn)-適用于粘性土2021-10-221.常水頭滲透試驗(yàn)圖3-7 常水頭滲透試驗(yàn) hqqtkiatkatl則得qlkhat故滲透系數(shù)為 截面積為a，流徑l； 壓力水頭維持不變； 試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，水自上而下流經(jīng)土樣； 待滲流穩(wěn)走后，測(cè)得水量q； 同時(shí)讀得a、b兩點(diǎn)水頭差h。2021-10-22常水頭滲透試驗(yàn)裝置2.變水頭滲透試驗(yàn)圖3-8 變水頭滲透試驗(yàn) 土樣的截面積a，高度為l 儲(chǔ)水管截面積為a 試驗(yàn)開(kāi)始儲(chǔ)水管水頭為h0 經(jīng)過(guò)時(shí)間t后降為h1 時(shí)間dt內(nèi)水頭降低dh，水量為：dq=-adh另外 dq=kiadt=k(h/l)adt流入和流出相等：adh= k(h/l)adt 0101ln()halt

8、tkah0101ln()()halka tth由此求得滲透系數(shù)：1100()ththaldhdtkah整理并積分得aldhdtkah 即2021-10-22變水頭滲透試驗(yàn)裝置3.現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)圖3-9 抽水試驗(yàn) 粗顆粒土或成層的土，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)不易取得原狀土樣； 小土樣不能反映天然土層的結(jié)構(gòu)性。現(xiàn)場(chǎng)方法：野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)等抽水量為抽水量為q觀測(cè)孔距離分別為觀測(cè)孔距離分別為rl和和r2 ，水位高度，水位高度h1和和h2r處水面高度處水面高度h，過(guò)水?dāng)嗝?，過(guò)水?dāng)嗝鎍2 rh 圖3-9 抽水試驗(yàn) :h液面處水力坡降dhidr2dhqkrhdr圖3-9 抽水試驗(yàn) darcy由定律：2drqh k

9、 dhr 即：22112rhrhdrqkhdhr222211ln()()rqk hhr212221ln(/ )()qrrkhh兩邊積分： 故滲透系數(shù)為 分析表3-1滲透系數(shù)值: 可見(jiàn)：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大表3-1 滲透系數(shù)參考值 滲透系數(shù)的測(cè)定十分重要（1）土的粒度成分及礦物成分。（2）結(jié)合水膜厚度。（3）土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。（4）水的粘滯度。4. 影響土的滲透性的因素3.3 滲流破壞和控制3.3.1 滲透力的計(jì)算（a）水土整體 （b）土骨架 （c）水圖3-10 土顆粒和水受力示意圖“它是體積力它是體積力”概念：水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力。 計(jì)算原理：計(jì)算原理：（a）水土整體 （b

10、）土骨架 （c）水 (1) 沿流線方向取一截面積為沿流線方向取一截面積為a，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為l的土樣。的土樣。 (2) 討論討論作用在土樣上的力作用在土樣上的力（a）水土整體 （b）土骨架 （c）水水土整體水土整體a流入面的靜水壓力流入面的靜水壓力 whlab流出面的靜水壓力流出面的靜水壓力 wh2ac土樣重力在流線上的分量土樣重力在流線上的分量fw= satlad土樣底面所受的反力土樣底面所受的反力p 其中：其中：h2=hl+lh土骨架土骨架 （a）水土整體 （b）土骨架 （c）水圖3-10 土顆粒和水受力示意圖a土骨架所受浮重力土骨架所受浮重力f w= lab總滲透力總滲透力j=jla，方向向下

11、，方向向下c土樣底面所受的反力土樣底面所受的反力p水水a(chǎn)孔隙水重量和土粒浮力反力之和fw=wlab流入面和流出面的靜水壓力whla和wh2ac土粒對(duì)水的阻力j ，大小與滲透力相同，方向相反土顆粒 水 (3) 力的平衡條件：力的平衡條件：水體的平衡jwhlwiwjha 總滲透力為：總滲透力為：考察土樣中的水在垂直方向的受力平衡考察土樣中的水在垂直方向的受力平衡：則則: whla+ wlawh2a =j jla “注意：注意： wla 為為孔隙水重量和土粒浮力反力之和”將將h2=h1+lh代入上式，得滲透力為：代入上式，得滲透力為：即即 jl= w (h1+l h2)結(jié)論：結(jié)論： 滲透力是水流對(duì)單

12、位體積土體顆粒的作用力；滲透力是水流對(duì)單位體積土體顆粒的作用力； 是一種體積力是一種體積力 滲透力的大小與水力坡降成正比，方向與滲流方向一致。滲透力的大小與水力坡降成正比，方向與滲流方向一致。臨界水力坡降臨界水力坡降： 滲透力滲透力j與有效重度大小相等，方向相反與有效重度大小相等，方向相反時(shí)，時(shí)，土顆粒之間的壓力為零，即：土顆粒之間的壓力為零，即：j= wi= = satw 考察圖考察圖3-11(b)中一土單元中一土單元：（a）向下滲流）向下滲流 （b）向上滲流）向上滲流圖圖3-11 滲流方向?qū)ν令w粒作用力的影響滲流方向?qū)ν令w粒作用力的影響于是可定義于是可定義crwi“工程中常用工程中常用i icrcr來(lái)評(píng)價(jià)土體是否發(fā)生滲透破壞來(lái)評(píng)價(jià)土體是否發(fā)生滲透破壞”。當(dāng)當(dāng) j= w i = 時(shí)時(shí)， 土顆粒之間的壓力為零土顆粒之間的壓力為零。3.3.2 土的滲透變形和防治措施流土現(xiàn)象:當(dāng)土顆粒間的接觸壓力為零，土顆粒處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。 向上滲流向上滲流土顆粒接觸點(diǎn) 懸浮狀態(tài) 管涌現(xiàn)象:土中的一些細(xì)小顆粒在滲透力作用下，通過(guò)粗顆粒的孔隙被水流帶走。圖3-12 流土示意圖比較和區(qū)別:流砂現(xiàn)象發(fā)生在土體表面滲流逸出處,不發(fā)生于土體內(nèi)部管涌可以發(fā)生在滲流逸出處，也可能發(fā)生在土體內(nèi)部 例例3-43-4：3409.81