土力學-第2章

1、第二章第二章 土土的滲透性與土中滲流的滲透性與土中滲流 2.1 概述概述 2.2 滲流理論滲流理論 2.3 流網(wǎng)及其工程應用流網(wǎng)及其工程應用 2.4 土中滲流的作用力及滲透變形土中滲流的作用力及滲透變形 產(chǎn)生的問題產(chǎn)生的問題 一、滲漏，造成水量損失 二、引起土體內(nèi)部應力狀態(tài)的變化，從而改 變地基、邊坡或土工建筑物的穩(wěn)定條件。 2.1 概述 三、影響土體變形快慢。 四、基坑排水。 五、邊坡穩(wěn)定計算。 本章著重本章著重 討論的問討論的問 題題 三相系三相系多孔介質(zhì)多孔介質(zhì) 孔隙流體孔隙流體 孔隙流體流動孔隙流體流動 能量差能量差 浸潤線浸潤線 透水層透水層 不透水層不透水層 滲流量滲流量 滲透變形

2、滲透變形 土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流 2.1 概述 透水層透水層 不透水層不透水層 基坑基坑 板樁圍護下的基坑滲流板樁圍護下的基坑滲流 滲流量滲流量 滲透變形滲透變形 板樁墻板樁墻 2.1 概述 滲流量滲流量 滲流時地下水位滲流時地下水位 渠道滲流渠道滲流 2.1 概述 滲流滑坡滲流滑坡 2.1 概述 Teton壩壩 概況：概況： 土壩，高土壩，高90m90m，長，長1000m1000m，建于，建于 1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事 損失：損失： 直接直接80008000萬美元，起萬美元，起 訴訴55005500起，起，2.52.5億美元，億

3、美元， 死死1414人，受災人，受災2.52.5萬人，萬人， 6060萬畝土地，萬畝土地，3232公里公里 鐵路鐵路 原因：原因： 滲透破壞水力劈裂滲透破壞水力劈裂 2.1 概述 Teton壩壩 1976年6月5 日上午10:30 左右，下游壩 面有水滲出并 帶出泥土。 2.1 概述 Teton壩壩 1111：0000左右 洞口不斷擴 大并向壩頂 靠近，泥水 流量增加 2.1 概述 TetonTeton壩壩 11:30 洞口繼續(xù)向上擴大， 泥水沖蝕了壩基， 主洞的上方又出現(xiàn) 一滲水洞。流出的 泥水開始沖擊壩趾 處的設施。 2.1 概述 11：50左右 洞口擴大加速， 泥水對壩基的沖 蝕更加劇烈

4、。 TetonTeton壩壩 2.1 概述 11:57 壩坡坍塌， 泥水狂瀉而下 TetonTeton壩壩 2.1 概述 12：00過后 坍塌口加寬 TetonTeton壩壩 2.1 概述 洪水掃過下游 谷底，附近所 有設施被徹底 摧毀 TetonTeton壩壩 2.1 概述 失事現(xiàn)場目 前的狀況 TetonTeton壩壩 2.1 概述 2.2 滲流理論 2.2.1 定義 定義：定義：土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā)土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā) 生運動的現(xiàn)象稱為生運動的現(xiàn)象稱為水的滲透水的滲透，而土被水流，而土被水流 透過的性質(zhì)，稱為透過的性質(zhì)，稱為土的滲透性土的滲透性。 2.2.2 滲流模型

5、 由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動時由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動時 的粘滯阻力很大，流速緩慢的粘滯阻力很大，流速緩慢 層流層流 2.2.2 滲流模型 v 滲透速度（滲透速度（cm/s或或m/s）；）； q 滲流量（滲流量（cm3/s后后m3/s）；）； i 水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失，無因次；水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失，無因次； h 試樣兩端的水位差，即水頭損失；試樣兩端的水位差，即水頭損失； L 滲徑長度；滲徑長度； k 滲透系數(shù)（滲透系數(shù)（cm/s或或m/s,m/d）；）； A 試樣截面積（試樣截面積（cm2或者或者m2）。）。 2.2.2 滲流

6、模型 1856年法國學者年法國學者 達西對砂土的滲達西對砂土的滲 透性進行研究透性進行研究 結(jié)論：結(jié)論： 水在土中的滲透速度與試水在土中的滲透速度與試 樣的水力梯度成正比樣的水力梯度成正比 v=ki達西定律達西定律 滲透系數(shù)，水力梯滲透系數(shù)，水力梯 度為度為1 1時的滲透速度，時的滲透速度， 單位：單位：cm/scm/s 注意：注意： 1.1.滲流速度并非真正流體速度滲流速度并非真正流體速度 2.2.水力梯度也并非真正的水力水力梯度也并非真正的水力 梯度梯度 2.2.3 達西滲流定律 一、達西定律 kiv 達西定律達西定律 砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關系砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關系

7、v=ki i v O O 砂土砂土 2.2.3 達西滲流定律 ib 起始水起始水 力坡降力坡降 虛直線簡化虛直線簡化 0 i v 密實粘土密實粘土 )( b iikv v=ki i v O O 礫土礫土 v=ci1/2 vcr 二、達西定律適用范圍二、達西定律適用范圍 2.2.4 滲流系數(shù)的確定 滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強弱的重要力滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強弱的重要力 學性質(zhì)指標。滲透系數(shù)的測定可以分為學性質(zhì)指標。滲透系數(shù)的測定可以分為現(xiàn)場試驗現(xiàn)場試驗和和室內(nèi)試室內(nèi)試 驗驗兩大類。一般，現(xiàn)場試驗比室內(nèi)試驗得到的結(jié)果要準確兩大類。一般，現(xiàn)場試驗比室內(nèi)試驗得到的結(jié)果要準確 可靠

8、。因此，對于重要工程常需進行現(xiàn)場測定。可靠。因此，對于重要工程常需進行現(xiàn)場測定。 常水頭試驗法常水頭試驗法 變水頭試驗法變水頭試驗法 井孔抽水試驗井孔抽水試驗 井孔注水試驗井孔注水試驗 室內(nèi)試驗室內(nèi)試驗測定方法測定方法 野外試驗野外試驗測定方法測定方法 h QqtkiAtkAt L 時間時間 t 內(nèi)流出的水量內(nèi)流出的水量 QL k hAt 常水頭試驗常水頭試驗整個試驗過程中水頭保 持不變 給水給水 排水排水 試驗中測取的量為：試驗中測取的量為：h, t, Q 一、常水頭試驗一、常水頭試驗 適用于透水性大（適用于透水性大（k10-k10- 3cm/s3cm/s）的土，例如砂土。）的土，例如砂土。

9、 二、變水頭試驗二、變水頭試驗 截面面積截面面積a 變水頭法在整個試驗過程中，變水頭法在整個試驗過程中， 水頭是隨著時間而變化的，水頭是隨著時間而變化的， 試驗裝置如圖，試樣的一端試驗裝置如圖，試樣的一端 與細玻璃管相接，在試驗過與細玻璃管相接，在試驗過 程中測出某一時段內(nèi)細玻璃程中測出某一時段內(nèi)細玻璃 管中水位的變化，就可根據(jù)管中水位的變化，就可根據(jù) 達西定律求出水的滲透系數(shù)；達西定律求出水的滲透系數(shù)； 粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng)粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng) 水量少。水量少。 適用于粘性土，滲透系適用于粘性土，滲透系 數(shù)小，流經(jīng)水量少。數(shù)小，流經(jīng)水量少。 截面面積截面面積a 設玻璃管的內(nèi)截面積為設

10、玻璃管的內(nèi)截面積為a a， 試驗開始以后任一時刻試驗開始以后任一時刻t t的的 水位差為水位差為h h，經(jīng)時段，經(jīng)時段dtdt，細，細 玻璃管中水位下落玻璃管中水位下落dhdh，則在，則在 時段時段dtdt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量。內(nèi)流經(jīng)試樣的水量。 二、變水頭試驗二、變水頭試驗 試驗中測取的量試驗中測取的量 為：為：t1, t2, h1, h2 h adhkAdt l 1 212 ln () hal k Atth adhdQ h dQkAdt l 二、變水頭試驗二、變水頭試驗 地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面 抽水量抽水量q q dh dr r h h1 h2 r1 r2 觀察井觀察井 不透水層

11、不透水層 透水層透水層 井井 三、現(xiàn)場抽水試驗三、現(xiàn)場抽水試驗 2 1 2 2 1 2 ln hh r r q k 2 10 22 10 (11.5) 2 kd kd e 哈森 太沙基 四、經(jīng)驗公式四、經(jīng)驗公式 1.1.土粒大小與級配土粒大小與級配 土粒越粗越均勻，滲透系數(shù)越大。粘粒含量越多，滲透系數(shù)土粒越粗越均勻，滲透系數(shù)越大。粘粒含量越多，滲透系數(shù) 越小。越小。 2.2.土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu) 3.3.滲透水的性質(zhì)滲透水的性質(zhì) 水平滲透系數(shù)一般大于豎向滲透系數(shù)。水平滲透系數(shù)一般大于豎向滲透系數(shù)。 動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的

12、動力 粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。 4.4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體含量 土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣 體含量愈多，土的滲透性愈小。體含量愈多，土的滲透性愈小。 2020 T T kk T、20分別為分別為T和和20時水時水 的動力粘滯系數(shù)，可查表的動力粘滯系數(shù)，可查表 五、影響滲透系數(shù)的因素五、影響滲透系數(shù)的因素 土的滲透系數(shù)參考值土的滲透系數(shù)參考值 土類土類滲透系數(shù)滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性滲透性 卵石、碎石、礫石卵石、碎石、礫石10-1高滲透性高滲透性 砂砂10-31

13、0-1中滲透性中滲透性 粉土粉土10-410-3低滲透性低滲透性 粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土10-610-5極低滲透性極低滲透性 粘土粘土10-7幾乎不透水幾乎不透水 2.3 流網(wǎng)及其工程應用 2.3.1 流網(wǎng)的性質(zhì) 0 2 2 2 2 y h x h 一、穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程一、穩(wěn)定滲流場中的拉普拉斯方程 y x y q x q x x q qdx x y y q qdy y h 根據(jù)單位時間內(nèi)流入單元根據(jù)單位時間內(nèi)流入單元 體的總水量必等于流出的體的總水量必等于流出的 總水量得：總水量得： 就滲流問題來說，一組曲線就滲流問題來說，一組曲線 稱為稱為等勢線等勢線，在任一條等勢線，在任一條等勢線

14、上各點的總水頭是相等的；另上各點的總水頭是相等的；另 一組曲線稱為一組曲線稱為流線流線，它們代表，它們代表 滲流的方向。等勢線和流線交滲流的方向。等勢線和流線交 織在一起形成的網(wǎng)格叫織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)流網(wǎng)。 二、方程的解二、方程的解 對于各向同性的滲透介質(zhì)，流對于各向同性的滲透介質(zhì)，流 網(wǎng)具有下列特征：網(wǎng)具有下列特征： （1 1）流線與等勢線彼此正交；）流線與等勢線彼此正交； （2 2）每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；）每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)； （3 3）相鄰等勢線間的水頭損失相等；）相鄰等勢線間的水頭損失相等； （4 4）各流槽的滲流量相等。）各流槽的滲流量相等。 二、流網(wǎng)的性質(zhì)二、流網(wǎng)的性質(zhì)

15、 三、典型流網(wǎng)分析三、典型流網(wǎng)分析 遠離壩底，流線遠離壩底，流線 稀疏，水力梯度稀疏，水力梯度 小，滲透速度小小，滲透速度小 接近壩底，流線接近壩底，流線 密集，水力梯度密集，水力梯度 大，滲透速度大大，滲透速度大 2.4 土中滲流的作用力及滲透變形 水在土中流動水在土中流動 能量消耗能量消耗 力圖拖曳土粒力圖拖曳土粒 水頭損失水頭損失 滲透水流施于單位土滲透水流施于單位土 體內(nèi)土粒上的力稱為體內(nèi)土粒上的力稱為 滲流力、動水壓力。滲流力、動水壓力。 h0 0 0 hw L 貯水器貯水器 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) a b h2 h2 h1 h1 2.4.1 滲流力 2.4.1 滲流力 1 1點，滲流力

16、與重力方向點，滲流力與重力方向 一致，滲流力促使土體一致，滲流力促使土體 壓密，對穩(wěn)定有利；壓密，對穩(wěn)定有利； 2 2點，點，3 3點，滲流力與重點，滲流力與重 力方向正交，對穩(wěn)定不力方向正交，對穩(wěn)定不 利；利； 4 4點，滲流力與重力方向點，滲流力與重力方向 相反，對穩(wěn)定特別不利。相反，對穩(wěn)定特別不利。 滲流力方向與滲透方向相同，大小取決滲流力方向與滲透方向相同，大小取決 于水力梯度。即于水力梯度。即 ij w 2.4.1 滲流力 當滲流力和土的有效重度相同且方向相反時，土顆粒間的當滲流力和土的有效重度相同且方向相反時，土顆粒間的 壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn)壓力等于零

17、，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn) 象稱為象稱為流土流土，此時的水頭梯度成為，此時的水頭梯度成為臨界水力梯度臨界水力梯度i icr cr。 。 w ji s cr w 1 1 G i e 2.4.1 滲流力 流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流 逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。 土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于穩(wěn)定狀態(tài) 土處于臨界狀態(tài)土處于臨界狀態(tài) 土處于流土狀態(tài)土處于流土狀態(tài) 2.4.1 滲流力 2.4.2 滲透變形 滲流土體內(nèi)部應力狀態(tài)變化 土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題 管涌、流土等水庫塌岸岸

18、坡、 土壩在水位 降落時引起的滑動 流土流土：在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動 而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處。而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處。 管涌：管涌：在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通在滲流作用下土體中的細土粒在粗土粒形成的孔隙通 道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在砂礫土中。道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在砂礫土中。 2.4.2 滲透變形 一、滲透變形的形式一、滲透變形的形式 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發(fā)生移土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移 動或局部土體表面隆起動或局部土體表面隆起 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 導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等 現(xiàn)象現(xiàn)象