土力學(xué)第三章.ppt

1、1,土的滲透性及滲流,第三章,2,3.1 概述 3.2 土的滲透性 3.3 土中二維滲流及流網(wǎng) 3.4 滲透破壞與控制,第三章 土的滲透性及滲流,3,本章特點(diǎn) 學(xué)習(xí)要點(diǎn) 主要難點(diǎn),有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律） 有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性） 注重對物理概念和意義的深入理解 注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn) 水頭及水力坡降 滲透力及其分析方法,4,碎散性,多孔介質(zhì),三相體系,孔隙流體流動(dòng),滲流,水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象,滲透性,土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì),滲透特性 強(qiáng)度特性 變形特性,非飽和土的滲透性,飽和土的滲透性,3.1 概述,能量差,滲透,水、氣等在土體孔隙中透過的現(xiàn)象

2、,5,滲流量,滲透變形,土石壩,防滲斜墻及鋪蓋,浸潤線,透水層,不透水層,土石壩壩基壩身滲流,3.1 概述,6,滲水壓力,滲流量,滲透變形,透水層,不透水層,基坑,板樁墻,板樁圍護(hù)下的基坑滲流,3.1 概述,7,滲流量,透水層,不透水層,天然水面,水井滲流,漏斗狀潛水面,Q,3.1 概述,8,滲流量,原地下水位,滲流時(shí)地下水位,渠道滲流,3.1 概述,9,滲流滑坡,滲流滑坡,3.1 概述,10,滲流量,滲透破壞,滲流控制,3.1 概述,11,3.1 概述 3.2 土的滲透性 3.3 土中二維滲流及流網(wǎng) 3.4 滲透破壞與控制,第三章 土的滲透性及滲流,12,h1,h2,zA,zB,h,0,0,

3、基準(zhǔn)面,水力坡降線,Bernoulli定理： 水頭單位重量水體所具有的能量,z：位置水頭,u/w：壓力水頭,V2/(2g)：流速水頭0,A點(diǎn)總水頭：,B點(diǎn)總水頭：,水頭：,水力坡降：,水頭差：,測管水頭,3.2 土的滲透性,3.2.1 滲流基本概念,13,試驗(yàn)前提：層流,h，q A，q L， q,斷面平均流速,水力梯度,層流：相鄰兩個(gè)水分子運(yùn)動(dòng)的軌跡相互平行而不混流。,試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)裝置：如圖,試驗(yàn)條件: h1，A，L=const,量測變量: h2，V，T,h=h1-h2,q = Q/t,3.2 土的滲透性,3.2.2 土的層流滲透定律,14,達(dá)西定律,滲透定律,在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v

4、與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。,注意：,A,Av,v：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度,vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度,A Av,qvA vsAv,k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù),物理意義：水力梯度i1時(shí)的滲流速度,單位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,3.2.2 土的層流滲透定律,3.2 土的滲透性,15,適用條件：,層流（線性流）,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(dá)西定律。 可用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷：,Re5時(shí)層流Re 200

5、時(shí)紊流200 Re 5時(shí)為過渡區(qū),3.2.2 土的層流滲透定律,3.2 土的滲透性,16,（1）粗粒土： 礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律 砂土中滲透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,兩種特例：,（2）粘性土： 致密的粘土 i i0,(起始水力坡降） v = k(i - i0 ),3.2.2 土的層流滲透定律,3.2 土的滲透性,17,室內(nèi)試驗(yàn)測定方法 野外試驗(yàn)測定方法,常水頭試驗(yàn)法,變水頭試驗(yàn)法,井孔抽水試驗(yàn),井孔注水試驗(yàn),3.2 土的滲透性,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),K：反映土的滲透能力的定量指標(biāo)。 滲透計(jì)算必須使用的基本參數(shù)。,18,1、室

6、內(nèi)滲透試驗(yàn)測定滲透系數(shù) 常水頭試驗(yàn)法,結(jié)果整理,試驗(yàn)裝置：如圖,試驗(yàn)條件: h，A，L=const,量測變量: Q，t,i=h/L,Q=qt=vAt,v=ki,適用土類：透水性較大的砂性土,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),變水頭試驗(yàn)法,透水性較小的粘性土?,3.2 土的滲透性,19,變水頭試驗(yàn)法,試驗(yàn)裝置：如圖,試驗(yàn)條件: h變化，A，L=const,量測變量: h ，t,土樣,A,L,Q,水頭 測管,開關(guān),a,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,20,結(jié)果整理:,t時(shí)刻： h,dt,dh,dQe= - adh,dQo=kiAdt=k (h/L)Adt,dVe=dVo,流入量：

7、,流出量：,連續(xù)性條件：,-adh =k (h/L)Adt,選擇幾組h1, h2, t ，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,21,2、 現(xiàn)場測定滲透系數(shù),優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù),地下水位測壓管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水層,觀察井,A=2rh,i=dh/dr,缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長,實(shí)驗(yàn)方法：井孔抽水,積分,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,22,3.影響滲透系數(shù)的主要因素,粒徑大小及級配 孔隙比密實(shí)度 礦物成分 結(jié)構(gòu),飽和度（含氣量） 溫度水的動(dòng)力粘滯系數(shù),3.2.3 滲透

8、試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,23,粒徑大小及級配：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(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。 圖3-10b。,（1）土粒特性的影響,孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。圖3-10ac。,礦物成分：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?yàn)楦邘X石伊里石蒙脫石；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)。,結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得 k水平 k垂直；在

9、微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。圖3-11。,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,24,飽和度 sr(%),滲透系數(shù)k(10-3cm/s),8 7 6 5 4 3 2,80 90 100,飽和度的影響,流體粘滯性的影響,溫度高,粘滯性低,滲透系數(shù)大,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,（2）流體特性的影響,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,（3）土的構(gòu)造,25,4.滲透系數(shù)k的經(jīng)驗(yàn)確定方法,P71,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,26,5.層狀地基的等效滲透系數(shù),等效滲透系數(shù),確

10、立各層的km 考慮滲流方向,天然土層多呈層狀,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,27,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,1,1,2,2,不透水層,水平滲流,條件:,等效滲透系數(shù):,qx=vxH=kxiH,qmx=kmimHm,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土的滲透性,(3-20),28,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,豎直滲流:,v,承壓水,條件:,等效滲透系數(shù):,(3-21),29,Kx 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制,Kz 倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制,3.2.3 滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù),3.2 土

11、的滲透性,30,3.1 概述 3.2 土的滲透性 3.3 土中二維滲流及流網(wǎng) 3.4 滲透破壞與控制,第三章 土的滲透性及滲流,31,3.4.1 滲透力,h=0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。 h0 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)的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。 滲透力 j 滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。,h1,h,h2,0,0,hw,L,濾網(wǎng),貯水器,a,b,3.4 滲透破壞與控制,滲透力/動(dòng)水力： 單位體積土顆粒所受到的滲流作用力。,32,土粒,滲 流,j,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,滲透力與浮力有何區(qū)別？,33,P2,W,P

12、1,R,靜水中的土體,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L( + w) + whw,R = L,土水整體分析,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,34,P2,W,P1,R,靜水中的土體,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L( + w)+ whw,R = L wh,R = L,滲流中的土體,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,35,P2,W,P1,R,靜水中的土體,A=1

13、,R = L wh,R = L,滲流中的土體,向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少,減少的部分由誰承擔(dān)？,水與土之間的作用力滲流的拖曳力,總滲透力,J = wh,滲透力,j = J/V = wh/L = wi,j = wi,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,36,P2,W,P1,R,A=1,R = L wh,滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力,向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少,臨界水力梯度：,i = h/L = /w,icr = /w, L wh = 0,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,37,P1+ Ww+ J = P2,水體的平衡條件,j = wi,whw+ wL + j L= wh1

14、,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1 = whw,P2 = wh1,Ww= Vvw+ Vsw= Lw,土水隔離分析,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,38,滲透力的性質(zhì),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,j = wi,大小：,方向：與i方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）,作用對象：土骨架,3.4.1 滲透力,3.4 滲透破壞與控制,量綱：kN/m 3;,基本類型,流土,管涌,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,防治措施,3.4 滲透破壞與控制,3.4.2 流砂或流土現(xiàn)象,40,流砂現(xiàn)象/ 流土現(xiàn)象,在向上的滲流力作用下，粒

15、件間有效應(yīng)力為零，顆粒群發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。,滲流,原因：,3.4.2 流砂或流土現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,臨界水力梯度Icr:使土發(fā)生流砂現(xiàn)象時(shí)的水力梯度。,Fs: 安全系數(shù)1.52.0, i : 允許水力梯度,i icr :,i = icr :,i icr :,土體處于穩(wěn)定狀態(tài),土體發(fā)生流土破壞,土體處于臨界狀態(tài),經(jīng)驗(yàn)判斷：,無壓重時(shí)：,3.4.2 流砂或流土現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,產(chǎn)生條件：,防治措施：,增大i：下游增加透水蓋重,防治流土,減小i ：上游延長滲徑； 下游減小水壓,3.4.2 流砂或流土現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,43,管 涌,原因：,內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形

16、成大于細(xì)粒徑的孔隙通道,外因滲透力足夠大,在滲流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)，以致流失；隨著孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致在土中形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷的現(xiàn)象。,管涌,管涌破壞,3.4.3 管涌和潛蝕現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,44,3.4.3 管涌和潛蝕現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,潛蝕：自然條件下產(chǎn)生的管涌現(xiàn)象。包括：機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕。,流土與管涌的比較,流土,土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng),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(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等,現(xiàn)象,位置,土類,歷時(shí),

17、后果,土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng),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(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口,3.4.3 管涌和潛蝕現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,較均勻土 （Cu10）,管涌,幾何條件,水力條件,一般發(fā)生在無粘性土中,級配,孔隙及細(xì)粒,判定,非管涌土,粗粒形成的孔隙通道小于細(xì)粒徑,不均 勻土 （Cu10）,不連續(xù),連續(xù),D0=0.25d20,細(xì)粒含量35%,細(xì)粒含量25%,細(xì)粒含量=25-35%,D0 d3,D0 d5,D0 = d3-d5,管涌土,過渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,過渡型土,幾何條件,骨架,充填料,P,5,3,d5,d3,3.4.3 管涌和潛蝕現(xiàn)象,3.4 滲透破壞與控制,形成條件：,47,水力條件：i icr,5 10 15 20 25 30 35 40,2.0 1.5 1.0 0.5 0,icr,Cu,流土,過渡,管涌,Cu 20時(shí), i