土力學(xué)_第3章(土的滲透性及土的有效應(yīng)力)

1、主要內(nèi)容：土的滲透性和滲透規(guī)律研究對象：飽和土體“管涌”滲漏一、土的滲透性（1）水在壓力坡降作用下穿過土中連通孔隙發(fā)生流動 的現(xiàn)象，稱為水的滲透（2）土體被水透過的性能，稱為土的滲透性。（3）土的滲透對工程會產(chǎn)生兩個問題： （a）滲漏問題； （b）滲透穩(wěn)定性問題二、達西定律及其適用范圍（1）土中水的滲流滲流：水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象。滲流：水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象。（清華土力學(xué)）水流滲流滲流：水：水在壓力坡降作用下穿過土中連通孔隙發(fā)生流動在壓力坡降作用下穿過土中連通孔隙發(fā)生流動的現(xiàn)象的現(xiàn)象。 （馮國棟土力學(xué)）水頭：單位重量的水所具有的能量。水力梯度（坡降）：單位流程總水頭的變化單位流程總水頭的

2、變化AhAzwAuLBhhBwuBz總水頭線總水頭勢水頭壓力水頭動水頭最關(guān)心的不是水頭而是水頭差！gvuZhw22wuZhLhLhhiBA土中的水沿著流線方向每前進s的距離，就要有- h的水頭損失。（2）Darcy定律定律 （法國工程師，1856年提出）滲透系數(shù)，單位：cm/sA 截面積式中：式中：v v 滲透速度滲透速度(m/s)(m/s)； i i 水頭（力）梯度水頭（力）梯度； k k 滲透系數(shù)滲透系數(shù)(m/s)(m/s)； Q Q 滲透流量滲透流量(m(m3 3/s)/s) A A 截面積。截面積。 AikQikvAQv 滲透速度滲透速度水頭梯度水頭梯度滲透流量滲透流量（3）Darcy

3、定律適用范圍定律適用范圍（v-i）這種線性關(guān)系，只適用于層流層流 滲透速度大時不適用（臨界速度ver） 對于密實的粘性土，坡降（i）小 時也不適用（起始坡降 i o）。砂土和粘性土的滲透規(guī)律砂土和松散粘性土在粗粒土中（礫石、卵石和碎石），滲透速度大，線性關(guān)系不適用。mikvDarcy定律的表達式為：定律的表達式為：摘自清華-土力學(xué))(oiikvDarcy定律的表達式為：定律的表達式為：三、滲透系數(shù)測定方法及影響因素（1）測定方法室內(nèi)試驗常 水 頭變 水 頭10-3cm/s的砂土滲透系數(shù)測定現(xiàn)場試驗注水試驗抽水試驗10-3cm/s的砂土常水頭試驗裝置 土樣的截面積A，高度為L 儲水管截面積為a

4、試驗開始儲水管水頭為h0 經(jīng)過時間t后降為h1 時間dt內(nèi)水頭降低dh，水量為： 變水頭滲透試驗示意圖 變水頭滲透試驗另外： adhdQAdtLhkkiAdtdQ)/(k 10-3cm/s（b）中等透水層： K 10-3 10-5 cm/s（c）弱透水層（相對不透水層）： K 10-6cm/s滲透系數(shù)參考滲透系數(shù)參考值（來源？）值（來源？）利用滲透系數(shù)判斷土層的透水性（2）影響因素 土顆粒的粒徑、級配和礦物成分（大） 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 孔隙比或孔隙率（大） 水的動力粘滯度 土的飽和度？210cdk d10含量小于10%的粒徑，cm；c經(jīng)驗系數(shù)，40-150之間。kelg（摘自：清華-土力學(xué)）（3

5、）層狀土的滲透性 x方向的平均滲透系數(shù)KxyacoxbHH1H2H3k1k2k3A)(1332211HkHkHkHKx321qqqqxy方向的平均滲透系數(shù)Ky321qqqqy332211kHkHkHHKy水平方向由最大的一水平方向由最大的一層滲透系數(shù)決定，垂層滲透系數(shù)決定，垂直方向由最小的一層直方向由最小的一層滲透系數(shù)決定。滲透系數(shù)決定。四、滲流作用下土的應(yīng)力狀態(tài)（摘自：土力學(xué)馮國棟，p39）（1）靜水條件下土的有效應(yīng)力與中性應(yīng)力HhaAhHWsatw)(a點的總應(yīng)力a點的靜水壓強a點的有效應(yīng)力孔隙水壓力，也叫中性應(yīng)孔隙水壓力，也叫中性應(yīng)力力土的強度和變形的變化都只取決于有效應(yīng)力的變化而不是總

6、應(yīng)力。hHsatw)(hHuwuhhwsat)(（清華-土力學(xué)，96頁）（2）滲透力wij12Hha定義：單位土體內(nèi)土顆粒所受的滲流作用力為滲透力 j。 體積力，單位：kn/m3 滲流流過土體，土顆粒對水流產(chǎn)生阻力，造成水頭損失h。公式推導(dǎo)請見清華土力學(xué)，p56-57（B）滲流向上時的a點有效應(yīng)力12Hhawhhkhvhih/（3）滲流作用下土的有效應(yīng)力（A）滲流向下流動時的a點有效應(yīng)力whhkhvhih/12Hha滲透力J流土示意圖五、滲流對工程穩(wěn)定性造成的破壞滲透變形滲透變形（1）主要有：流沙（土）和管涌 （2）定義及產(chǎn)生的條件流土：在向上的滲透水流作用下，表層土均布范圍內(nèi)的土體或顆粒群同

7、時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。 管涌：在滲流水流作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴大，滲透流速不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體坍塌。向上滲流向上滲流土顆粒接觸點 懸浮狀態(tài) 12Hha流沙（土）臨界坡降wiVVwcri/ 1/wsatcri臨界坡降 icr：使土體開始產(chǎn)生破壞（滲透變形）的水力坡降滲透變形發(fā)生的條件 內(nèi)因：土的顆粒與結(jié)構(gòu)（幾何條件）； 外因：水力條件，作用于土體滲透力的大小。向下的重力向上的滲透力J管涌的臨界坡降通過經(jīng)驗和實驗總結(jié)得出管涌的臨界坡降： 其中，d為被沖動的細顆粒粒徑，一般小于d5d3，單位 cm； n為砂礫料的孔隙率； k為砂礫料的滲透系數(shù)，單位 cm/s。3nkdicr六、流網(wǎng)及工程中的滲流場計算流線等勢線（水頭相等）（1）流網(wǎng)：將水流和水頭用實線（流線）或虛線（等勢線）繪制出來，形成網(wǎng)格狀的圖形，表示土體中的滲流場。浸潤線（2）工程）工程中的滲流場計算中的滲流場計算工程中的滲流場計算一般采用數(shù)值計算方法進行。工程中的滲流場計算一般采用數(shù)值計算方法進行。計算軟件有：計算軟件有：ANASY 2DFLOW 3DFLOW 73.209 69.817 66.426 63.035 59.644 56.252 52.86