土力學(xué)3章_土的滲透性及滲流

1、土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 第三章第三章碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動(dòng)孔隙流體流動(dòng)滲流滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)滲透特性滲透特性強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性變形特性變形特性非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性飽和土的滲透性1 概述概述能量差能量差滲流量滲流量滲透變形滲透變形土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流滲水壓力滲水壓力揚(yáng)壓力揚(yáng)壓力滲流量滲流量滲透變形滲透變形透水層

2、透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流量滲流量透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q滲流量滲流量原地下水位原地下水位滲流時(shí)地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流渠道滲流滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲透問題滲透問題 滲流量滲流量滲透破壞滲透破壞如何控制如何控制一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線gvpzhw22wAApzh1wBBpzh2hhh21 wpzhLh

3、i 總水頭總水頭單位質(zhì)量水體所具有的能量單位質(zhì)量水體所具有的能量z：位置水頭：位置水頭p p/ /w w：壓力水頭：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭流速水頭0 0A A點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：B B點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：水力坡降：土中滲流是有水頭差或水力梯度引起的。土中滲流是有水頭差或水力梯度引起的。二二. . 滲透試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律達(dá)西定律試驗(yàn)前提：試驗(yàn)前提：層流層流h，Q A，Q L， QLhAQ 斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降A(chǔ)Qv Lhi iv 1.1.滲透試驗(yàn)滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h1，A，L=

4、const量測(cè)變量量測(cè)變量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/Tikv 粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s。 適用條件適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土重的粘性土 兩種特例兩種特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm ikv 三三. . 滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定

5、方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1. 1. 測(cè)定方法測(cè)定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1 1常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h，A，L=const量測(cè)變量量測(cè)變量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk 適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h變化變化，A，L=const量測(cè)變量量測(cè)變量: : h ，t透水性

6、較小的粘性土透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理結(jié)果整理:理論依據(jù)理論依據(jù): :t時(shí)刻：時(shí)刻： htdhdVi= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVi=dVo流入量流入量：流出量：流出量：連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 2121hhtthdhkAaLdt2112lnhhkAaLtt2112ln)(hhttAaLk選擇幾組選擇幾組h1, h2, t1 ，t2,計(jì)算相應(yīng)的計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值 野外測(cè)定方法野

7、外測(cè)定方法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)地下水位地下水位測(cè)壓管水面測(cè)壓管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層觀察井觀察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ212212 212212hh)r/rln(Qk 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：理論依據(jù)：2.影響因素 粒徑大小及級(jí)配粒徑大小及級(jí)配孔隙比（密實(shí)度）孔隙比（密實(shí)度）礦物成分礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)造構(gòu)造土土粒粒特特性性、流流體體

8、特特性性）(fk 三三. . 滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素 l水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（水的溫度）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（水的溫度）l飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 對(duì)對(duì)k k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡四四. .層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的確立各層的k ki i根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層不透水層水平滲流水平滲流條件條件: :Lhiii ixxqq iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)ki: :qx=vxH=kxiHq

9、x=qix=kiiiHi iixHkH1kH1H2H3Hhk1k2k3xz豎直滲流豎直滲流:v承壓水承壓水條件條件:vvi ihh iHH等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)k kx x: :vi = ki (h hi i/ /Hi)iiikvHh zkvHh iizkvHkvH iizkHHk)k1HH(k1iiz3 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 連續(xù)性條件連續(xù)性條件zxkk 假定：假定： hh h恒定恒定穩(wěn)定滲流穩(wěn)定滲流h=h(x,z), v=v(x,z)取單寬：取單寬： dy=1與時(shí)間無關(guān)與時(shí)間

10、無關(guān)達(dá)西定律達(dá)西定律平面滲流的基本方程平面滲流的基本方程 1. 基本方程基本方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 與與kx, kz無關(guān)無關(guān)滿足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù)滿足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù) 勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)勢(shì)函數(shù)和流函數(shù) 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律zxkk 假定假定 dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程n 特點(diǎn)特點(diǎn)描述滲流場內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，描述滲流場內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式是平

11、面穩(wěn)定滲流的基本方程式一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的測(cè)管水頭測(cè)管水頭h的分布的分布基本方程基本方程邊界條件邊界條件定解條件定解條件二二. .流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 (求解拉普拉斯方程）求解拉普拉斯方程） 流流 網(wǎng)網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線滲流場中的兩族相互正交曲線等勢(shì)線和流線所形成的等勢(shì)線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。 流流 線線水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。 等勢(shì)線等勢(shì)線測(cè)管水頭相同的點(diǎn)之連線測(cè)管水頭相同的點(diǎn)之連線 。 流網(wǎng)法流網(wǎng)法通過繪制流線與勢(shì)線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求

12、解滲流問題。通過繪制流線與勢(shì)線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。Hh0 基本要求基本要求1. 正交性：流線與等勢(shì)線必須正交正交性：流線與等勢(shì)線必須正交Hh0lsls2. 各個(gè)網(wǎng)格的長寬比各個(gè)網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取應(yīng)為常數(shù)。取c=1c=1，即為曲邊正方形即為曲邊正方形3. 在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。ABCDlsHh h00ls 繪制方法繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場根據(jù)滲流場的邊界條件的邊界條件確定邊界流線確定邊界流線和首尾等勢(shì)線和首尾等勢(shì)線正交性

13、正交性曲邊正方形曲邊正方形初步繪制流網(wǎng)初步繪制流網(wǎng)流線流線等勢(shì)線等勢(shì)線反復(fù)修改，調(diào)整反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖精度較高的流網(wǎng)圖按比例畫出按比例畫出剖面圖剖面圖 流網(wǎng)特點(diǎn)流網(wǎng)特點(diǎn)等勢(shì)線上各點(diǎn)測(cè)管水頭等勢(shì)線上各點(diǎn)測(cè)管水頭h h相等。相等。各個(gè)流槽的滲流量相等各個(gè)流槽的滲流量相等相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相等相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相等Hh0lsls 測(cè)管水頭測(cè)管水頭 h h 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用l /Hi ）（zhhiiikv dfdfifdiiiNNHkNHkNqNqNHkhkslhkq; 確定孔壓確定孔壓 確定流速確定流速 確定流量確定流量 水力坡降水力坡降HH0lsls4 4 滲透力與滲透變形

14、滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力 試驗(yàn)觀察hh=0 =0 靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。hh0 0 水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力滲透力 J J 滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透變形滲透變形滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP下下P上上水柱隔離體水柱隔離體wGwwwwswvwLAVVVG水柱重力水柱

15、重力 土粒對(duì)水流的阻力土粒對(duì)水流的阻力T=滲流力滲流力J水界壓力水界壓力wwwhPhP1下上，h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b總阻力總阻力wTLAT T平衡條件平衡條件iJiTAhTGhAwwwwwwww1滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì)物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力J= wi大小：大?。悍较颍悍较颍号c滲流方向一致與滲流方向一致作用對(duì)象：作用對(duì)象：土骨架土骨架基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流土、流砂流土、流砂管涌、潛蝕管涌、潛蝕土工建筑物及地基由于

16、滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件形成條件 防治措施防治措施 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體1.1. 基本類型基本類型 流土流土流砂流砂在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象criiJW0和土的密實(shí)程度有關(guān)n)1)(1(11sscrdedi滲流滲流原因：原因：1.1. 基本類型基本類型 管涌管涌潛蝕潛蝕原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級(jí)配的無

17、粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)發(fā)生移動(dòng)管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的一般發(fā)生在特定級(jí)配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長破壞過程相對(duì)較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口2.2.形成條件形成條件 scrFiii Fs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.