土的滲透性及滲流

1、北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程第 3 章 土的滲透性及滲流北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程內(nèi)容提要3.1 概 述3.2 土的滲透性和滲流定律u 土的滲透性u(píng) 土的層流滲透定律 達(dá)西定律u 滲透系數(shù)的測(cè)定及其影響因素3.3 滲透破壞與控制u 滲流力的計(jì)算u 土的滲透破壞和防治措施北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.1 概 述 第 3 章北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.1 概 述孔隙水流動(dòng)能量差土顆粒土中水滲流土 體多孔介質(zhì) 滲流：水在能量差的作用下在土體孔隙通道中流動(dòng)的現(xiàn)象。 水在土孔隙中的流動(dòng)會(huì)引起土體中應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而使 土體的強(qiáng)度和變形特性發(fā)生變化。 滲透性：土體具有的能夠被水和氣體等流體通過的性質(zhì)。北京工業(yè)大

2、學(xué) 土力學(xué)課程與滲透性相關(guān)的工程問題u基坑開挖排水u修筑滲水路堤u飽和粘性土地基的沉降u施工降水u地下水開采u土石壩及堤岸的穩(wěn)定性（流砂、管涌）3.1 概 述北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程土的滲透性研究主要包括如下三方面的問題：u滲流量問題u滲透破壞問題u滲流控制問題3.1 概 述北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤(rùn)線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流3.1 概 述北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲水壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻3.1 概 述北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程水井滲流滲流量透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q地下水位3.1 概 述北京工業(yè)大學(xué)

3、土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律 第 3 章北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程一. 土的滲透性 滲流模型3.2 土的滲透性和滲流定律水在孔隙中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡理想化的滲流模型對(duì)滲流的簡(jiǎn)化：u不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；u不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土顆粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律對(duì)滲流模型的要求：u在同一過水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量；u在任一界面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲流的壓力相等；u在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等。一. 土的滲透性 滲流模型北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2

4、土的滲透性和滲流定律一. 土的滲透性 滲流速度u 滲流速度 滲流速度表征過水截面上的平均流速，并不代表水在土中滲流的真實(shí)流速。QvAtu 實(shí)際流速0QvnAtn 1.0v v0真實(shí)滲流僅發(fā)生在土體孔隙內(nèi)北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律一. 土的滲透性 水頭和水力梯度（水力坡降）ABL透水層不透水層基坑板樁墻北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面22wuvhzg位置水頭壓力水頭速度水頭u 位置水頭：代表單位質(zhì)量液體所具有的位能，與基準(zhǔn)面的選取有關(guān)；u 壓力水頭：該點(diǎn)孔隙水壓力對(duì)應(yīng)的水柱的高度；u 速度水頭：代

5、表單位質(zhì)量液體所具有的動(dòng)能。一. 土的滲透性 水頭和水力梯度（水力坡降）北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面12hhhiLL 水力梯度：表示在水的滲流路徑上單位長(zhǎng)度上的水頭損失，也稱為水力坡降或水頭梯度。 水力梯度可以表征水在土中滲流的推動(dòng)力的大小。u 水力梯度一. 土的滲透性 水頭和水力梯度（水力坡降）北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律二. 土的層流滲透定律 達(dá)西定律u土體中孔隙一般較小，水在孔隙中滲流時(shí)的粘滯阻力很大，流速緩慢。u層流：水流流線互相平行的流動(dòng)。u層流滲透定律層 流達(dá)西（Darcy）定律北

6、京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律達(dá)西滲透試驗(yàn)qkAihvkkiL層流的滲透速度與水力梯度成正比二. 土的層流滲透定律 達(dá)西定律北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律滲透系數(shù)k：表征土體滲透性強(qiáng)弱的指標(biāo)，數(shù)值上等于單位水力梯度時(shí)對(duì)應(yīng)的滲流速度，具有速度的量綱。土的滲透系數(shù)參考值 土的類別滲透系數(shù)（m/s）粘土 510-8粉質(zhì)粘土510-8110-6粉土110-6510-6黃土2.510-6510-6粉砂510-6110-5二. 土的層流滲透定律 達(dá)西定律北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律土的滲透系數(shù)參考值 土的類別滲透系數(shù)（m/s）細(xì)砂110-5

7、510-5中砂510-5210-4粗砂210-4510-4圓礫510-4110-3卵石110-3510-3二. 土的層流滲透定律 達(dá)西定律北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律三. 達(dá)西定律的適用范圍u達(dá)西定律只適用于層流的情況，一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等土類中水的滲流。u對(duì)于粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土，水的滲流速度較大，不再是層流而是紊流，達(dá)西定律不再適用。u對(duì)于粘土中水的滲流，達(dá)西定律需進(jìn)行修正。北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程u粘土中自由水的滲流受到結(jié)合水膜粘滯阻力的影響，只有克服結(jié)合水的粘滯作用才能開始滲流。u克服結(jié)合水的粘滯作用所需要的初始水力梯度，稱為粘土的起始水力梯度i

8、0。u粘土中的達(dá)西定律：3.2 土的滲透性和滲流定律三. 達(dá)西定律的適用范圍砂 土粘 土ii00vk ii北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律三. 達(dá)西定律的適用范圍 用雷諾數(shù)Re 判斷u若水流速度很小，為粘滯力占優(yōu)勢(shì)的層流，達(dá)西定律適用，此時(shí)雷諾數(shù)Re 小于110之間的某一值；u水流速度增加到慣性力占優(yōu)勢(shì)的層流和層流向紊流過渡時(shí)，達(dá)西定律不再適用，此時(shí)雷諾數(shù)Re 在10100之間； u隨著雷諾數(shù)Re 的增大，水流進(jìn)入紊流狀態(tài)，達(dá)西定律完全不適用。北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定及其影響因素土的滲透系數(shù)的測(cè)定方法：u 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定 常水頭

9、滲透試驗(yàn) 變水頭滲透試驗(yàn)u 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)H1H2QFlabHhla-dhh1h2土樣北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 常水頭滲透試驗(yàn)u 在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水頭差h 保持不變。u 適用于透水性強(qiáng)的無粘性土。hQvAtkAtLQLkhAt北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 變水頭滲透試驗(yàn)u 試驗(yàn)過程中儲(chǔ)水管中的水位不斷下降，滲流水頭差不斷減小。u 適用于透水性弱的粘性土。adhdQhdQkAdtL北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 變水頭滲透試驗(yàn)hadhkAdtL1212ln()ha

10、LkA tthadhdQhdQkAdtL北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)用于粗顆粒土或成層土北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)抽水井類型無壓完整井無壓非完整井北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律四. 滲透系數(shù)的測(cè)定 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)212221ln r rqkhh北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律土的滲透系數(shù)的主要影響因素：u 土顆粒的粒徑、級(jí)配和礦物成分u 土的密實(shí)度（孔隙比）u 土的飽和度（土中氣體）u 土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造u 水的溫度四. 滲透系數(shù)的測(cè)定及其影

11、響因素北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律121212iiiqqqFFF1211 122 2112212hqqk F ik F iqkFiFiFik hk hhhiihik hkh五. 成層土的等效滲透系數(shù) 水平滲流北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.2 土的滲透性和滲流定律121212qqqFFFHHH 1212121212112212112212vhhhhqqqkFiFHFHHhhhhqq hq hhhFF kF kkk iviihkhk五. 成層土的等效滲透系數(shù) 豎向滲流北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程例 題 3.1 如圖所示的達(dá)西滲流試驗(yàn)，假設(shè)試管中的砂土為兩種土樣，土樣1位于土樣2的

12、上部，它們的高度都是20cm，總水頭損失為40cm，土樣1的滲透系數(shù)為0.03cms，土樣2的水力梯度為0.5。求土樣2的滲透系數(shù)和土樣1的水力梯度，并求該滲流系統(tǒng)的平均滲透系數(shù)。12北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程 某滲透試驗(yàn)裝置如圖所示。砂I的滲透系數(shù)為k12101cms，砂的滲透系數(shù)k21101cms，砂樣斷面積A為200cm2 。 （1）若在砂與砂分界面處安裝一測(cè)壓管，則測(cè)壓管中水面將升至右端水面以上多高？ （2）滲透流量Q多大？例 題 3.2北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.3 滲透破壞與控制 第 3 章北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程3.3 滲透破壞與控制一. 滲流力的計(jì)算水在土中流動(dòng)能量消耗力圖拖曳土

13、粒水頭損失滲透水流對(duì)土體內(nèi)的土顆粒施加有力的作用。北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程u水在土中滲流時(shí)，受到土顆粒的阻力作用，產(chǎn)生能量損失，阻力的作用方向與水的滲流方向相反，則水流必然有一個(gè)相等的力作用在土顆粒上。u當(dāng)飽和土體中出現(xiàn)水頭差時(shí)，滲透水流作用于單位體積土骨架上的力稱為滲流力（或滲透力，動(dòng)水力），它是一種體積力。 u滲流力的作用方向與水的滲流方向一致。一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程w nlA2w h A1w h A(1- )wn lAlATA滲透水流的流速變化很小，慣性力可以忽略不計(jì)一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程土柱隔離體內(nèi)水的

14、受力：u 作用在土柱隔離體截面a處的水壓力，其方向與水流方向一致；u 作用在土柱隔離體截面b處的水壓力，其方向與水流方向相反；u 土柱隔離體內(nèi)水的重力，其方向?yàn)樨Q直向下；1w h A2w h Aw nlA一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程土柱隔離體內(nèi)水的受力：u 土柱隔離體內(nèi)的土顆粒作用于水的力（水對(duì)土顆粒作用的浮力的反作用力），其方向?yàn)樨Q直向下；u 水滲流時(shí)，土柱隔離體中的土顆粒對(duì)水的阻力，其方向與水流方向相反。(1- )wn lAlAT一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程土柱隔離體內(nèi)水的力平衡方程： 12cos(1)cos0wwww

15、h Ah AnlAn lAlATlzz21cos112212()()wwwhzhzHHTill3.3 滲透破壞與控制一. 滲流力的計(jì)算北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流力的計(jì)算公式： wJTiu滲流力表示的是水流對(duì)單位體積土體顆粒的作用力，是由水流的外力轉(zhuǎn)化為均勻分布的體積力（kN/m3），普遍作用于滲流場(chǎng)中所有的土顆粒上。u滲流力的大小與水力梯度成正比，方向與滲流的方向一致。一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響： (a)(b) (a)向下滲流 (b)向上滲流3.3 滲透破壞與控制一. 滲流力的計(jì)算北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流方向?qū)ν令w粒間作

16、用力的影響： u當(dāng)水的滲流方向由上向下時(shí)，滲流力的方向與土體重力方向一致，使土顆粒之間的接觸壓力增大；u當(dāng)水的滲流方向由下向上時(shí)，滲流力的方向與土體重力方向相反，使土顆粒之間的接觸壓力減小。一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響： u 1點(diǎn)：滲流力與重力方向一致，滲流力使土體壓密，對(duì)穩(wěn)定有利；u 2點(diǎn)，3點(diǎn)：滲流力與重力方向正交，對(duì)穩(wěn)定不利；u 4點(diǎn)：滲流力與重力方向相反，對(duì)穩(wěn)定特別不利。3.3 滲透破壞與控制一. 滲流力的計(jì)算北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響： u當(dāng)向上的滲流力與土的有效重度相等時(shí)，土顆粒之間的壓力

17、等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn)象稱為流砂（或流土）。wsatwJi一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響： u 臨界水力梯度：u 容許水力梯度：1wsatwcri criiiK安全系數(shù)一. 滲流力的計(jì)算3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施滲 流土體內(nèi)部應(yīng)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、流砂等水庫岸坡塌岸、土壩在水位降落時(shí)引起的滑動(dòng)3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程u土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)土層剝落、地面隆起、形成滲流通道等破壞或變形

18、現(xiàn)象稱為滲透破壞或滲透變形。u滲透破壞的主要形式： （1）流砂或流土 （2）管涌和潛蝕 （3）接觸流土 （4）接觸沖刷二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程u流砂或流土 在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象，主要發(fā)生在地基或土壩下游的滲流溢出處。 流砂或流土現(xiàn)象的發(fā)生一般是突發(fā)性的，對(duì)工程危害極大。二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程發(fā)生流砂或流土現(xiàn)象的土質(zhì)條件： u流砂或流土現(xiàn)象主要發(fā)生在顆粒級(jí)配均勻的飽和細(xì)砂、粉砂和粉土層中。u飽和的低塑性粘性土當(dāng)受到

19、擾動(dòng)，也會(huì)發(fā)生流砂或流土現(xiàn)象。u在粗顆粒土及粘土中不易產(chǎn)生流砂或流土現(xiàn)象。二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程流砂現(xiàn)象的危害： u 造成地基土體流失，導(dǎo)致建筑物不均勻沉降。u 造成基坑土體流失，導(dǎo)致基坑破壞。二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程流砂或流土現(xiàn)象的判別 u i icr，土體發(fā)生流砂破壞。流砂或流土的安全性評(píng)價(jià) crsiiiK安全系數(shù)Ks一般取1.52.03.3 滲透破壞與控制二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程預(yù)防流砂現(xiàn)象的工程措施 u關(guān)鍵：控制滲流溢出處

20、的水力梯度，使實(shí)際的水力梯度不超過允許的范圍。u具體措施：切斷地基的透水層（防滲墻等）；延長(zhǎng)滲流路徑，降低溢出處的水力梯度（水平防滲鋪蓋）；減小滲流壓力或者防止土體被滲透力懸?。p壓井等）。二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程u管涌 在滲透水流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒的孔隙中移動(dòng)以至流失，隨著土體中的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增大，較粗的顆粒也被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷的現(xiàn)象。 管涌一般發(fā)生在砂性土中，發(fā)生的部位一般在滲流出口處，一般隨時(shí)間增加不斷發(fā)展，是一種漸進(jìn)性質(zhì)的破壞。3.3 滲透破壞與控制二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程 管涌與土顆粒組成的關(guān)系： u發(fā)生管涌的臨界水力梯度與土顆粒的大小及其級(jí)配情況有關(guān)。u土的不均勻系數(shù)越大，管涌現(xiàn)象越容易發(fā)生。3.3 滲透破壞與控制二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施北京工業(yè)大學(xué) 土力學(xué)課程管涌現(xiàn)象的判別 不均勻系數(shù)6010/uCdduCu10，為非管涌土；u10Cu20，為管涌土。二. 土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3 滲透破壞與控制北京