土力學(xué)第三章土的滲透性

土力學(xué)第三章土的滲透性第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日砂土的達(dá)西定律砂土的達(dá)西定律：

當(dāng)水流處于層流狀態(tài)時(shí)，砂土的滲透速度與水力坡降成正比。砂土的滲透性：砂土顆粒較粗，顆粒之間不存在連接力，只要存在水力坡降，水在砂土中就會(huì)發(fā)生流動(dòng)。滲透系數(shù)：指水力坡降等于1時(shí)的滲透速度。反映土體滲透性的大小。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日粘性土的達(dá)西定律粘性土的達(dá)西定律：當(dāng)水流處于層流狀態(tài)時(shí)，粘性土的滲透速度與水力坡降成正比。起始水力坡降ib：由于粘性土的顆粒之間存在連接力所致。粘性土的滲透性：相同水力坡降條件下，水在砂土中可以流動(dòng)，而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降時(shí)才流動(dòng)第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)方法：常水頭試驗(yàn)、變水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)：在試驗(yàn)過程中水頭始終保持不變，適用于粗粒土。測(cè)定在一定時(shí)間內(nèi)流出的水量計(jì)算滲透系數(shù)。變水頭試驗(yàn)：在試驗(yàn)過程中水頭不斷變化，適用于細(xì)粒土。測(cè)定水頭下降一定高度所需要的時(shí)間計(jì)算滲透系數(shù)。第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透試驗(yàn)簡(jiǎn)圖常水頭試驗(yàn)：試驗(yàn)過程中，h保持不變變水頭試驗(yàn)：試驗(yàn)過程中，h隨時(shí)間變化（下降）第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日土的透水性劃分根據(jù)滲透系數(shù)的大小，土的透水性劃分為三類：

強(qiáng)透水性土：k>10-2cm/s

中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s

弱透水性土：k<10-6cm/s實(shí)際工程中，根據(jù)實(shí)際部位的要求，選擇相應(yīng)透水性的土體。第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透系數(shù)的影響因素-1影響因素：顆粒大小和級(jí)配、孔隙比、水的動(dòng)力粘滯系數(shù)、封閉氣體、有機(jī)質(zhì)和膠體顆粒、成層土顆粒大小和級(jí)配的影響：顆粒大，滲透系數(shù)大；顆粒小，滲透系數(shù)小。級(jí)配不均勻的滲透系數(shù)小于級(jí)配均勻的滲透系數(shù)，說明級(jí)配越不均勻，滲透系數(shù)越?。患?jí)配越均勻，滲透系數(shù)越大?？紫侗鹊挠绊懀和猎剿缮?，孔隙比越大，則滲透系數(shù)越大；土越緊密，孔隙比越小，則滲透系數(shù)越小。有機(jī)質(zhì)和膠體顆粒的影響：有機(jī)質(zhì)越多，膠體顆粒含量越少，滲透系數(shù)越大。第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透系數(shù)影響因素-2水的動(dòng)力粘滯系數(shù)的影響：滲透系數(shù)k隨溫度的變化而變化。滲透系數(shù)以10C時(shí)的溫度為準(zhǔn)，其它溫度下的滲透系數(shù)kT需換算成10C下的滲透系數(shù)k10：k10=kT.T/10（是水的動(dòng)力粘滯系數(shù)）封閉氣體的影響：土中氣體分為兩部分：自由氣體、封閉氣體。封閉氣體的存在，會(huì)阻塞通道，影響土的滲透性。封閉氣體含量越多，則滲透系數(shù)越小。成層土的影響：水平方向的滲透系數(shù)總是大于垂直方向的滲透系數(shù)。第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日成層土的滲透性因?yàn)橥翆?shí)際上是成層分布的，所以存在著平行層理方向和垂直層理方向的滲透系數(shù)。第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日平行層理方向的滲透系數(shù)兩層土的滲透系數(shù)：具有以下特性：1）各層的水力坡降相等，即i=i1=i2；2）總滲流量等于各分層流量之和，即q=q1+q2則兩層土的水平向滲透系數(shù)為：

n層土的滲透系數(shù)：第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日垂直層理方向的滲透系數(shù)兩層土的滲透系數(shù)：具有以下特性：1）總水頭等于兩部分水頭損失之和，即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2；2）各層的滲流量相等，即q=q1=q2。則兩層土的垂直向滲透系數(shù)為：

n層土的滲透系數(shù)：第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日討論水平方向的滲透系數(shù)總是大于垂直方向的滲透系數(shù)kx>ky說明：1）如果成層土的厚度大致相同，而滲透系數(shù)又相差比較大的情況下，水平方向的滲透系數(shù)取決于透水性最大一層的滲透系數(shù)；2）垂直方向的滲透系數(shù)則取決于最不透水一層的滲透系數(shù)。第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日有效應(yīng)力和孔隙水壓力外荷載分擔(dān)：外加荷載作用在土體上，一部分由土顆粒承擔(dān)，一部分由孔隙水承擔(dān)，一部分由孔隙氣體承擔(dān)。對(duì)于飽和土，外加荷載只由土顆粒和水承擔(dān)。總應(yīng)力：指外荷載作用在土體上的總的應(yīng)力。有效應(yīng)力：指土體中的土顆粒所承擔(dān)的外荷載部分所產(chǎn)生的應(yīng)力?？紫端畨毫Γ褐竿馏w中的水所承擔(dān)的外荷載部分所產(chǎn)生的應(yīng)力。總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙水壓力之間存在關(guān)系。第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理：指土體在外荷載作用下，孔隙水壓力和有效應(yīng)力之和始終等于總應(yīng)力?？紫端畨毫υ黾樱厝灰鹩行?yīng)力減小；孔隙水壓力減小，必然引起有效應(yīng)力增大，增加的量和減小的量相等。第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日計(jì)算簡(jiǎn)圖分析a-a、b-b水平面上的總應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力滲流方向：1）不發(fā)生滲流h=02）從上往下h<03）從下往上h>0第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日靜水條件下的有效應(yīng)力原理b-b平面上的應(yīng)力：總應(yīng)力為：=h1+sath2孔隙水應(yīng)力為：u=h1+h2則有效應(yīng)力為：=-u=sath2-h2=h2討論：1）有效應(yīng)力與土深成正比，而與水深無關(guān)，它是土柱的有效重量（因?yàn)樗碌耐亮Ｊ艿剿母×ψ饔?，其重量按浮容重?jì)算），成三角形分布；2）孔隙水應(yīng)力與水深成正比，也成三角形分布。第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日穩(wěn)定滲流條件下的有效應(yīng)力原理-1滲流從上到下：在a-a平面上：孔隙水應(yīng)力u=h1有效應(yīng)力=0則總應(yīng)力=+u=h1在b-b平面上：總應(yīng)力=h1+sath2孔隙水應(yīng)力u=h1+h2-h則有效應(yīng)力=-u=h2+h與靜水條件下比較：總應(yīng)力不變=h1+sath2，孔隙水應(yīng)力減小h，而有效應(yīng)力增加h。第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日穩(wěn)定滲流條件下的有效應(yīng)力原理-2滲流從下到上：在a-a平面上：孔隙水應(yīng)力u=h1有效應(yīng)力=0則總應(yīng)力=+u=h1在b-b平面上：總應(yīng)力=h1+sath2孔隙水應(yīng)力u=h1+h2+h則有效應(yīng)力=-u=h2-h與靜水條件比較：總應(yīng)力不變=h1+sath2，孔隙水應(yīng)力增加h，有效應(yīng)力等量減小h。第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲流作用下的有效應(yīng)力原理靜水條件下的有效應(yīng)力：

等于土體的浮容重乘以水頭高度。穩(wěn)定滲流條件下的有效應(yīng)力：

滲流從上到下：有效應(yīng)力等于土體的浮容重乘以水頭高度再加上水的容重乘以水頭高度。

滲流從下到上：有效應(yīng)力等于土體的浮容重乘以水頭高度再減去水的容重乘以水頭高度。第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透力滲透力J：指滲透水流對(duì)土顆粒的作用力。

方向：與滲透水流的運(yùn)動(dòng)方向一致。單位體積滲透力j：指總滲透力與試樣體積之比。方向：與總滲透力的方向一致。第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位體積滲透力-1土粒對(duì)水流的阻力：水要流過試樣，必須克服整個(gè)試樣內(nèi)土粒對(duì)水流的阻力所引起的水頭損失h，這時(shí)土粒對(duì)水流阻力為：F=hA第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日單位體積滲透力-2總滲透力：由于土中水的滲透速度很小，流動(dòng)水體的慣性力可以不計(jì)，根據(jù)平衡條件，滲流作用于試樣的總滲透力J就等于試樣中土粒對(duì)水流的阻力F，只是方向相反，即：J=F=hA單位體積滲透力：作用在單位土體上的滲透力j為：?jiǎn)挝唬篕N/m3第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日說明單位體積滲透力與水力坡降的一次方成正比；單位體積滲透力是一個(gè)體積力；滲透力的方向與滲流方向一致；滲透力的作用點(diǎn)在土體的重心處。當(dāng)滲流方向與土體的重力方向相反時(shí)，滲流的運(yùn)動(dòng)對(duì)土體的穩(wěn)定有影響。第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日滲透變形滲透變形：指滲透水流導(dǎo)致土體發(fā)生變形或破壞的現(xiàn)象。滲透變形的形式：流土、管涌流土：指粘性土或非粘性土在滲透水流作用下，土中某一部分土體同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象，發(fā)生于滲流出逸處。管涌：非粘性土在滲透水流作用下，土中細(xì)小顆粒沿著粗大顆粒間的孔隙被帶出到土體外面的現(xiàn)象，發(fā)生于土體內(nèi)部或滲流出逸處。第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日土體的臨界狀態(tài)-1土體的臨界狀態(tài)：指土體即將發(fā)生滲透變形時(shí)的狀態(tài)。滲流從下往上滲透力與浮容重的關(guān)系：總滲透力為：J=hA=AiL，方向向上試樣浮重為：W=AL方向向下如果提高貯水器，使總滲透力與試樣的浮重相等則：J=W

AiL=AL

=i

=/i表明：滲透力就等于浮容重j==i第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日土體的臨界狀態(tài)-2土體中的有效應(yīng)力：當(dāng)土體處于臨界狀態(tài)時(shí)，滲流方向從下往上，這時(shí)，滲透力等于土樣的浮容重，土體中的有效應(yīng)力為：=h2-h=h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0

說明：有效應(yīng)力為0，表明土顆粒間不存在接觸應(yīng)力，在滲流作用下，試樣處于即將被浮動(dòng)的臨界狀態(tài)。所以，土體的滲透變形取決于土的浮容重與向上的滲透力的大小。第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日臨界水力坡降臨界水力坡降：指土體即將發(fā)生滲透變形時(shí)的水力坡降。這時(shí)，向上的滲透力等于土體的浮重量，土體中的有效應(yīng)力為0。流土的臨界水力坡降：管涌的臨界水力坡降：目前計(jì)算還不完善第二十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日允許水力坡降為保證土體的安