土力學1-第二章.ppt

1、第二章 土的滲透性和滲流問題,貴州大學土木建筑工程學院 巖土工程教研室,土力學,2.1 概述 2.2 土的滲透性與滲透規(guī)律 2.3 平面滲流與流網(wǎng) 2.4 滲透力與滲透變形,第二章：土的滲透性和滲流問題,3,2.1 概述,土體中的滲流,土是一種碎散的多孔介質，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稱為土的滲透性,4,透水層,不透水層,土石壩壩基壩身滲流,2.1 概述- 滲流問題,防滲體,壩體,滲流問題： 1. 滲流量？ 2. 滲透破壞？ 3. 滲透力？,5,板樁圍護下的基坑滲

2、流,2.1 概述- 滲流問題,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,6,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,2.1 概述- 滲流問題,7,滲流問題： 1. 滲流量？ 2. 地下水影響 范圍？,渠道、河流滲流,2.1 概述- 滲流問題,原地下水位,滲流時地下水位,8,2.1 概述- 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？,9,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

3、 邊坡工程,滲透特性,土的滲透特性,2.1 概述- 土滲流特性,10,2.2 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),11,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,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,位置、壓力

4、和測管水頭,12,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,水流動的驅動力,水往低處流,水往高處“跑”,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,13,壓力勢能：,動能：,總能量：,稱為總水頭，是水流動的驅動力,單位重量水流的能量：,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,水流動的驅動力 - 水頭,14,滲流中的水頭與水力坡降,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,A,B,L,滲流為水體的流動，應滿足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程,15,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,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

5、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，是滲流的總驅動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處,16,A點總水頭：,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,水力坡降,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,17,達西滲透試驗,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,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,18,達西定律,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,達西定律：在層流狀態(tài)的滲流

6、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i1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,19,達西定律的適用范圍,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,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 ：,Re5時層流Re 200時紊流200 Re 5時為過渡區(qū),20,達

7、西定律的適用范圍,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達西定律不再適用，此時：,兩種特例,對致密的粘性土，存在起始水力坡降i0,ii0, v=k(i - i0 ),21,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,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,室內試驗方法 野外試驗方法,22,室內試驗方法-常水頭試驗法,試驗條件: h，A，L=const 量測變量: 體積V，t,適用土類：透水性較大的砂性土,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,23,室內試驗方法-變水頭試驗法,試驗條件:h變化 A，a，L=const 量測變量: h，t

8、,適用土類：透水性較小 的粘性土,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,土樣,A,L,Q,水頭 測管,開關,a,24,在tt+dt時段內：,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,室內試驗方法-變水頭試驗法,25,室內試驗方法小結,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,常水頭試驗,變水頭試驗,條件,已知,測定,公式,取值,h=const,h變化,h，A，L,V，t,重復試驗后，取均值,a，A，L,h，t,不同時段試驗，取均值,適用,粗粒土,粘性土,26,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,現(xiàn)場測定法抽水試驗,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)

9、 缺點：費用較高，耗時較長,27,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,現(xiàn)場測定法抽水試驗,28,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：,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,土的性質 水的性質,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,29,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：,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,滲透系數(shù)的影響因素,土的性質 水的性質,粒徑大小及級配 孔隙比 礦物成分 結構,30,對粘性土，影響顆粒的表面

10、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),2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,滲透系數(shù)的影響因素,土的性質 水的性質,粒徑大小及級配 孔隙比 礦物成分 結構,31,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,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,滲透系數(shù)的影響因素,土的性質 水的性質,粒徑大小及級配 孔隙比

11、 礦物成分 結構,32,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,滲透系數(shù)的影響因素,土的性質 水的性質,粒徑大小及級配 孔隙比 礦物成分 結構,33,2.2 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 水的性質,粒徑大小及級配 孔隙比 礦物成分 結構,34,2.2 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,35,2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,

12、等效滲透系數(shù):,層狀地基的水平等效滲透系數(shù),36,層狀地基的垂直等效滲透系數(shù),2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,等效滲透系數(shù):,37,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),2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,38,層狀地基的等效滲透系數(shù),2.2 土的滲流性與滲透規(guī)律,水平滲流情形,垂直滲流情形,條件,已知,等效,公式,39,平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內，滲流狀況完全一致。對平面問題，常取dy=1m單位寬度的一片來進行分析,2.3 平面滲流與流網(wǎng),h=h(x,z), v=v(x,z),與時間無

13、關,穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流,平面穩(wěn)定滲流,40,2.3 平面滲流與流網(wǎng),滲流的連續(xù)性方程,單位時間流入單元的水量:,滲流的連續(xù)性方程：,單位時間內流出單元的水量:,連續(xù)性條件:,41,滲流的運動方程,達西定律：,滲流的連續(xù)性方程：,滲流的運動方程：,2.3 平面滲流與流網(wǎng),特例：各向同性均質土體 kx=kz,Laplace方程，描述滲流場內水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程,42,2.3 平面滲流與流網(wǎng),數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解 數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地發(fā)展 電比擬試驗法：

14、利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題 流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題,滲流分析的方法,43,流速勢或勢函數(shù)：,則有：,滿足達西定律的滲流問題是一個勢流問題,勢 函 數(shù),勢函數(shù)的特性： 等勢面是等水頭面 兩條等勢面的勢值差同其水頭差成正比,2.3 平面滲流與流網(wǎng),44,存在函數(shù)，稱為流函數(shù)，且有：,流線的方程：,流 函 數(shù),2.3 平面滲流與流網(wǎng),定義：流線是流場中的曲線，在這條曲線上所有各質點的流速矢量都和該曲線相切,連續(xù)性方程,為某一函數(shù)全微分的充要條件為,45,性質一：流線互不相交，在同一條流線上，流函數(shù)的值為一常數(shù),流函數(shù)的性質,2.

15、3 平面滲流與流網(wǎng),性質二：兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量,a和b為兩流線間的過水斷面，a(x,z), b(x-dx,z+dz),46,2.3 平面滲流與流網(wǎng),1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程 2）勢函數(shù)和流函數(shù)正交，一點兩線的斜率互成負倒數(shù) 3）勢函數(shù)和流函數(shù)是互為共軛的調和函數(shù)，兩者均完備 地描述了同一個滲流場 4）當對調邊界條件時，勢函數(shù)和流函數(shù)兩組曲線可互換,勢函數(shù)與流函數(shù),47,流網(wǎng)及其特性,流線和等勢線正交 流網(wǎng)中應使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢線間的勢函數(shù)（水頭）差不變 流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)，通常取為1,在流場中，流線和等勢線（等水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng),

16、+d ,+d,v,s,l,2.3 平面滲流與流網(wǎng),48,流網(wǎng)的畫法,1）確定邊界條件：邊界流線和首尾等勢線 2）研究水流的方向：流線的走向 3）判斷網(wǎng)格的疏密大致分布 4）初步繪制流網(wǎng)的雛形：正交性、曲邊正方形 5）反復修改和檢查,2.3 平面滲流與流網(wǎng),要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形,a,b,c,d,e,f,g,h,49,流網(wǎng)的應用,2.3 平面滲流與流網(wǎng),測管水頭 h,確定孔壓,確定流速,確定流量,水力坡降,流道數(shù),50,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-試驗觀察,h=0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。 h0 水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、

17、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,51,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-試驗觀察,土粒,滲 流,滲透力 j：體積力,滲透力j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力,52,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L(+ w) + whw,R = L,土水整體受力分析-靜水,53,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R +

18、 P2 = W + P1,R + wh1 = L(+ w) + whw,R = L - wh,土水整體受力分析-滲流,54,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-受力分析,R = L - wh,土水整體受力分析- 對比,靜水中的土體,滲流中的土體,向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少,R = L,減少的部分由誰承擔？,總滲透力： J=wh,滲透力j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力,j = J/V = wh /L = wi,55,向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少。當濾網(wǎng)支持力為零時的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發(fā)生流土破壞時的水力坡降：,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-受力分析,

19、滲透力-受力分析,R = L - wh=0,臨界水力坡降,icr = h/L =/w,56,土水隔離受力分析,2.4 滲透力與滲透變形,滲透力-受力分析,滲透力-受力分析,R = L- wh,土骨架受力分析： 有效重量：W=L 總滲透力：J=Lj 濾網(wǎng)的反力：R,孔隙水受力分析： 水壓力：P1= whw P2 = wh1 總滲透力：J=J 水重+浮力反力： Ww =Vvw+Vsw=Lw,孔隙水受力平衡,j = wi,土骨架受力平衡,57,滲透力的性質,物理意義：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力 大?。?j = wi 方向：與水力坡降方向一致 作用對象：土骨架,2.4 滲

20、透力與滲透變形,58,2.4 滲透力與滲透變形,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,59,2.4 滲透力與滲透變形,滲透變形 - 流土,流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內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,滲流,60,2.4 滲透力與滲透變形,滲透變形 管涌,原因,內因：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

21、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,61,2.4 滲透力與滲透變形,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,土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動,可發(fā)生于土體內部和滲流溢出處,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

22、較長,導致結構發(fā)生塌陷或潰口,62,2.4 滲透力與滲透變形,Fs: 安全系數(shù)1.52.0, 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：,63,2.4 滲透力與滲透變形,土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質： 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,64,2.4 滲透力與滲透變形,較均勻土 （Cu10）,幾何條件 水

23、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 （Cu10）,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 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,P(%),lgd,骨架,充填料,發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構成的孔隙直徑大于細顆粒直徑,65,2.4 滲透力與滲透變形,幾何條件 水力條件,無粘性土管涌的判別,滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動?？捎霉苡颗R界水力坡降表示,0 5 10 15 20 25 30 35,1.5 1.0

24、0.5 0,icr,Cu,流土,過渡,管涌,伊斯托敏娜（蘇）,中國學者,Cu 20時, icr =0.25-0.30， 考慮安全系數(shù)后： i=0.10-0.15,66,滲透變形的防治措施,減小i：上游延長滲徑 下游減小水壓 增大i： 下游增加透水 蓋重,2.4 滲透力與滲透變形,改善幾何條件：設反濾層等 改善水力條件：減小滲透坡降,防治流土,防治管涌,67,土壩，高90m，長1000m， 1975年建成， 次年6月失事 滲透破壞：沖蝕 水力劈裂,Teton壩失事現(xiàn)場現(xiàn)狀,原因,土石壩壩基壩身滲流破壞實例,68,失事原因研究結論,土石壩壩基壩身滲流破壞實例,69,九江大堤決口,1998年8月7日13:10發(fā)生管涌險情，