土力學-知識單元二(土的滲透性及滲流)

主講人：徐亞利《土力學》之知識單元二土的滲透性和滲流問題知識點一：土的滲透性與滲透規(guī)律知識點二：滲透破壞及控制知識單元二：土的滲透性和滲流知識單元二

土的滲透性和滲流問題土體中的滲流土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能量高的點向能量低的點流動水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤線滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲透力？工程實例知識單元二

土的滲透性和滲流問題板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？透水層不透水層基坑板樁墻工程實例知識單元二

土的滲透性和滲流問題滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q知識單元二

土的滲透性和滲流問題降雨入滲引起的滑坡滲流問題：1.滲透力？2.入滲過程？事故實例知識單元二

土的滲透性和滲流問題滲流量揚壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置擋水建筑物集水建筑物引水結構物基礎工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性土的滲透特性知識單元二

土的滲透性和滲流問題知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律水頭與水力坡降土的滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)土的滲透性與滲透規(guī)律滲流的驅(qū)動能量反映滲流特點的定律土的滲透性地基的滲透系數(shù)位置水頭：到基準面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準面算起所具有的位置勢能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能測管水頭：測管水面到基準面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢能在靜止液體中各點的測管水頭相等位置、壓力和測管水頭zA00ABu0pazB基準面靜水知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律水流動的驅(qū)動力水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢能高處流向位置勢能低處流速：水具有的動能壓力：水所具有的壓力勢能也可使水流發(fā)生流動知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律位置勢能：mgz壓力勢能：00基準面質(zhì)量m壓力u流速vz動能：總能量：稱為總水頭，是水流動的驅(qū)動力單位重量水流的能量：水流動的驅(qū)動力-水頭知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律ABLhAzA基準面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：滲流問題的水頭也稱測管水頭，是滲流的總驅(qū)動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律A點總水頭：水力坡降ABLhAhBzAzBΔh基準面水力坡降線B點總水頭：二點總水頭差：反映了兩點間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力坡降i：單位滲流長度上的水頭損失知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律達西滲透試驗LAh1h2QQ透水石1856年達西(Darcy)在研究城市供水問題時進行的滲流試驗或：其中，A是試樣的斷面積知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律達西定律達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，Vs為實際平均流速，孔隙斷面的平均流速知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律?？捎美字Z數(shù)進行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe=Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re＞5時為過渡區(qū)

知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗室內(nèi)試驗方法野外試驗方法知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律室內(nèi)試驗方法-常水頭試驗法試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:體積V，t適用土類：透水性較大的砂性土i=Δh/LV=Qt=vAtv=kihL土樣AVQ知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律室內(nèi)試驗方法-變水頭試驗法試驗條件:Δh變化

A，a，L=const量測變量:h，t適用土類：透水性較小

的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關a知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭測管開關在tt+dt時段內(nèi)：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt連續(xù)性條件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adthdhtt+dt室內(nèi)試驗方法-變水頭試驗法選擇幾組量測結果

，計算相應的k，取平均值知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律室內(nèi)試驗方法–小結常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律現(xiàn)場測定法－抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗條件:Q=const量測變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點：費用較高，耗時較長觀察井知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律A=2rhi=dh/dr計算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水層dhdrh地下水位≈

測壓管水面現(xiàn)場測定法－抽水試驗知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律是土中孔隙直徑大小的主要影響因素因由粗顆粒形成的大孔隙可被細顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細顆粒所控制。因此，土的滲透系數(shù)常用有效粒徑d10來表示，如哈臣公式：土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數(shù)的影響因素知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律是單位土體中孔隙體積的直接度量對于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數(shù)k之間的關系，如：滲透系數(shù)的影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律對粘性土，影響顆粒的表面力不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高嶺石>伊里石>蒙脫石；當粘土中含有可交換的鈉離子越多時，其滲透性將越低塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)滲透系數(shù)的影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律影響孔隙系統(tǒng)的構成和方向性，對粘性土影響更大在宏觀構造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微觀結構上，當孔隙比相同時，凝聚結構將比分散結構具有更大的透水性滲透系數(shù)的影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律飽和曲線含水量wWop干容重dmax1含水量w滲透系數(shù)k絮狀結構分散結構滲透系數(shù)的影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律滲透系數(shù)的影響因素水的動力粘滯系數(shù)：溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層土的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層等效滲透系數(shù):kx已知條件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi達西定律:等效條件:層狀地基的水平等效滲透系數(shù)知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知條件:達西定律:等效條件:v=kz(Δh

/H

)等效滲透系數(shù):知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律算例說明按層厚加權平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權平均，由較小值控制層狀地基的等效滲透系數(shù)H1H2H3Hk1k2k3xz知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律層狀地基的等效滲透系數(shù)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效公式知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律小結水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)總水頭=位置水頭+壓力水頭水頭是滲流的驅(qū)動力達西定律滲透系數(shù)、滲透速度達西定律的適用條件

常水頭試驗變水頭試驗抽水試驗滲透系數(shù)影響因素水平等效滲透系數(shù)垂直等效滲透系數(shù)知識點一

土的滲流性與滲透規(guī)律知識點二

滲透破壞與控制土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實度有關知識點二

滲透破壞與控制壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷知識點二

滲透破壞與控制流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口知識點二

滲透破壞與控制Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設計：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：知識點二

滲透破壞與控制土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別知識點二

滲透破壞與控制較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土過渡型土