《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》課件03-地下水部分

1、? ?土力學(xué)與根底工程土力學(xué)與根底工程? ?課課件件03-03-地下水局部地下水局部什么是土的滲透性和水的滲流？什么是土的滲透性和水的滲流？ 多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動(dòng)孔隙流體流動(dòng)滲流滲流水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性滲透性土具有被水透過的性質(zhì)土具有被水透過的性質(zhì)滲透特性滲透特性強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性變形特性變形特性能量差能量差土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流土土土的力學(xué)性質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)為什么要學(xué)習(xí)土的滲透性和水的滲流？為什么要學(xué)習(xí)土的滲透性和水的滲流？土的滲透性和水的滲流土的滲透性和水的滲流1 滲透變形破壞問題滲透變形破壞問題2 滲流量的計(jì)算問題滲流量的計(jì)

2、算問題3 滲流變形控制問題滲流變形控制問題工程活動(dòng)工程活動(dòng)直接影響直接影響 TetonTeton大壩，大壩，位于美國愛達(dá)荷位于美國愛達(dá)荷州的東南部，為州的東南部，為高高93m93m的土壩。的土壩。19761976年年6 6月月5 5日該日該壩完成后第一次壩完成后第一次蓄水時(shí)即發(fā)生破蓄水時(shí)即發(fā)生破壞，造成壞，造成1111人死人死亡及數(shù)百萬美元亡及數(shù)百萬美元的損失。破壞是的損失。破壞是由右岸距壩頂約由右岸距壩頂約40m40m處的一個(gè)漏處的一個(gè)漏洞引起的。洞引起的。1、滲透變形破壞問題、滲透變形破壞問題因滲流造成土體變形甚至破壞因滲流造成土體變形甚至破壞2、滲流量的計(jì)算問題、滲流量的計(jì)算問題 土壩壩

3、身、壩基、渠道等的滲漏水量估算；土壩壩身、壩基、渠道等的滲漏水量估算； 基坑開挖滲水量及排水量計(jì)算；基坑開挖滲水量及排水量計(jì)算； 水井供水量估算等。水井供水量估算等。土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流2、滲流量的計(jì)算問題、滲流量的計(jì)算問題滲流量滲流量滲透變形滲透變形滲水壓力滲流量滲透變形透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流2、滲流量的計(jì)算問題、滲流量的計(jì)算問題滲流量透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q2、滲流量的

4、計(jì)算問題、滲流量的計(jì)算問題滲流量原地下水位原地下水位滲流時(shí)地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流渠道滲流2、滲流量的計(jì)算問題、滲流量的計(jì)算問題p 土石壩滲流的變形控制土石壩滲流的變形控制p 基坑滲流的變形控制基坑滲流的變形控制p 滑坡的滲流穩(wěn)定問題滑坡的滲流穩(wěn)定問題降雨入滲、庫水位升降等引起的坡體穩(wěn)定問題降雨入滲、庫水位升降等引起的坡體穩(wěn)定問題3、滲流變形的控制問題、滲流變形的控制問題降雨入滲降雨入滲引發(fā)滑坡引發(fā)滑坡降雨入滲引發(fā)滑坡降雨入滲引發(fā)滑坡3、滲流變形的控制問題、滲流變形的控制問題地下水的類型地下水的分類地下水的分類u地下水按埋藏條件分為：地下水按埋藏條件分為：上層滯水上層滯水、潛水潛水和和承

5、壓水承壓水u按含水層的空隙性質(zhì)分為：按含水層的空隙性質(zhì)分為：孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水和和巖溶水巖溶水上層滯水上層滯水、潛水、承壓水、潛水、承壓水上層滯水上層滯水包氣帶中局部隔水層之上的重力水。包氣帶中局部隔水層之上的重力水。潛水潛水埋藏在地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具自由水面埋藏在地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具自由水面的重力水。的重力水。承壓水承壓水充滿于兩個(gè)穩(wěn)定的隔水層間的重力水。充滿于兩個(gè)穩(wěn)定的隔水層間的重力水。承壓水的形成主要決定于地質(zhì)構(gòu)造條件，最適宜形承壓水的形成主要決定于地質(zhì)構(gòu)造條件，最適宜形成承壓水的構(gòu)造為成承壓水的構(gòu)造為向斜向斜( (或盆地或盆地) )構(gòu)造構(gòu)造和和單斜構(gòu)造單斜構(gòu)

6、造。承壓水承壓水向斜盆地向斜盆地隔水頂板隔水頂板補(bǔ)給區(qū)補(bǔ)給區(qū)承壓區(qū)承壓區(qū)排泄區(qū)排泄區(qū)隔水底板隔水底板M承壓含水承壓含水層厚度層厚度HHMhH2H1初見水位初見水位承壓水位承壓水位承壓水頭承壓水頭地下水位地下水位埋深埋深自流區(qū)自流區(qū)層流層流紊流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透，連續(xù)滲透，流線互相平行。流線互相平行。地下水在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)，地下水在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)，流線有互相流線有互相交錯(cuò)，交錯(cuò)，速度較大。速度較大。地下水運(yùn)動(dòng)的兩種形式：地下水運(yùn)動(dòng)的兩種形式：一土的滲透定律一土的滲透定律土的滲透性土的滲透性：一般是指水流通過

7、土中孔隙的難易程度。：一般是指水流通過土中孔隙的難易程度。AhAzwAuLBhhBwuBz水力梯度坡降hydraulic gradientABhhhiLL總水頭線測(cè)壓管 piezometer tube單位流程的水頭損失。AB 土中滲流和水力梯度2. Darcy滲透定律/vq Ak i在層流sheet flow狀態(tài)下，有Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)法國工程師Darcy ，18561試 驗(yàn)2Darcy滲透定律平均流速流量土的截面積滲透系數(shù)水力梯度Darcy滲透定律是計(jì)算分析土的滲流、滲透固結(jié)問題的重要根底。kiAvAQkiv 水在土中滲透速度，它

8、不是水的實(shí)際流速，而是一單位時(shí)水在土中滲透速度，它不是水的實(shí)際流速，而是一單位時(shí)間內(nèi)流過單位土截面的水量，單位間內(nèi)流過單位土截面的水量，單位 。vdaym /sec/cm 土的滲透系數(shù)，土的滲透系數(shù)， 與土質(zhì)有關(guān)與土質(zhì)有關(guān)kdaym/水頭梯度水頭梯度，iLHHi21 土的滲透系數(shù)土的滲透系數(shù) 與土質(zhì)有關(guān)，達(dá)西定律適合砂土。如果是粘性與土質(zhì)有關(guān)，達(dá)西定律適合砂土。如果是粘性土，這個(gè)公式不準(zhǔn)確，因?yàn)榇嬖诮Y(jié)合水膜土，這個(gè)公式不準(zhǔn)確，因?yàn)榇嬖诮Y(jié)合水膜 , ,阻塞了孔隙間的通道阻塞了孔隙間的通道。ka. 砂土及一般粘性土b. 礫以上的土且水力梯度較大時(shí)，形成紊流，故不適用。c. 粘性很強(qiáng)的致密粘土，修正

9、為0()vkiiDarcy定律的適用范圍滲流為層流h200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整體分析土水整體分析1、計(jì)算方法11) 1(1 satwswswswvsedeVdVVm 一一. . 滲透力滲透力四四 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1W = = LsatsatL

10、( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 滲流中的土體滲流中的土體土水整體分析土水整體分析1 1、計(jì)算方法、計(jì)算方法h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1R = L whR = L 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少減少的局部由誰承擔(dān)？減少的局部由誰承擔(dān)？水與土之間的作用力滲流的拖曳力水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力總滲透力J = wh滲透力滲透力 j =

11、J/V = wh/L = wij = wi土水整體分析土水整體分析1 1、計(jì)算方法、計(jì)算方法h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1RA=1R = L wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力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)支持力減少向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少臨界水力坡降臨界水力坡降i = h/L = /wicr = /w L wh = 0edws1) 1(ediscr11土水整體分析土水整體分析1 1、計(jì)算方法、計(jì)算方法11) 1(1 satwswswswvsedeVdVVm 一一. . 滲透力滲透力2、試驗(yàn)觀察h=0 h=0 靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。靜

12、水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。h0 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(duì)土骨水在流動(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(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力滲透力 j j 滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b四四 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b土土粒粒滲滲 流流j3、物理本質(zhì) 滲透力seepage force土中滲流對(duì)土骨架產(chǎn)生推動(dòng)、摩擦、拖曳作用力。w

13、RLAhA()wRiLAcrwi 臨界水力梯度critical hydraulic gradient 有效應(yīng)力effective stresswJjiVsRwshAsLA土顆粒J土顆粒之間的作用力。有效應(yīng)力為0時(shí)對(duì)應(yīng)的水力梯度。此時(shí)水將發(fā)生滲透破壞。ediscr11根本類型根本類型 二二. .滲透變形滲透破壞滲透變形滲透破壞 流土流土管涌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。土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞。形成條件形成條件 防治措施防治措施 流 土流砂quick sand 、翻砂 boil sand 在向上的滲流作用下，外表土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、

14、移動(dòng)的現(xiàn)象。 發(fā)生條件crii 在地下水位下開挖基槽，如從基坑中直接排水會(huì)導(dǎo)致流砂現(xiàn)象。在地下水位下開挖基槽，如從基坑中直接排水會(huì)導(dǎo)致流砂現(xiàn)象。 井井 管涌 piping在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫穿的管道。粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫穿的管道。原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒徑的孔隙通道成大于細(xì)粒徑的孔隙通道外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 管涌管涌破壞 scrFiii Fs: 平安系數(shù)平安系數(shù)二二. .滲透變

15、形滲透變形 i : 允許坡降允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)流土流土經(jīng)驗(yàn)判斷：經(jīng)驗(yàn)判斷：無壓重時(shí)：無壓重時(shí)：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(shí)土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)發(fā)生移動(dòng)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(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)的孔隙通道

16、移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的一般發(fā)生在特定級(jí)配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長破壞過程相對(duì)較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口3. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 防治流土防治流土土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層防治管涌防治管涌改善幾何條件：改善幾何條件：設(shè)反濾層等設(shè)反濾層等改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降，減小滲透坡降， 如打板樁如打板樁減小或消除水頭差減小或消除水頭差，如，如采取基坑外的井點(diǎn)降水法采取基坑外的井點(diǎn)降水法降低地下水位，或采取水降低地下水位，或采取水下挖掘；下挖掘； 增長滲流路徑增長滲流路徑，如打板樁；如打板樁； 在向上滲流在向上滲流出口處地表用透水材料覆出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力蓋壓重以平衡滲流力；土層加固處理土層加固處理，