土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定

1、土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定土體中的滲流土顆粒土中水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2. 滲流引起的問題 (Problems induced by seepage)（1）滲漏 (Leakage)（2）滲透破壞 (Seepage failure)（3）影響土體的固結、強度、穩(wěn)定和工程施工 Impact consolidation, strength, stability of soils and project con

2、struction透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲流問題：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板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：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工程實例滲流問題：1. 滲流量？2. 地下水影響 范圍？渠道、河流滲流原地下水位滲流時地下水位降雨入滲引起的滑坡滲流問題：1. 滲透力？2. 入滲過程？事故實例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 基礎工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性土的滲透特性4.2 土的滲透性Section 2 Permeability

3、of soils4.2.1 水頭與水力梯度 Water head and hydraulic gradient1. 水頭及其類型（Water head and its types）(1) 位置水頭 Elevation head z(2) 壓力水頭 Pressure head(3) 流速水頭 velocity head(4) 總水頭 Total head (4-1)2. 水力梯度（Hydraulic gradient）4.2.2 達西定律 Darcys law1. 達西定律的內(nèi)容 砂土中的滲透流量 Q 與水頭差 (h1-h2) 成正比， 與滲徑 L 成反比 (4-5) 圖4-2 達西砂土試驗裝置

4、(4-6, a)LAh1h2QQ透水石引入水力坡降，則上式可改寫為： Q = kiA上式還可寫為：式中，k 稱為土的滲透系數(shù) (Coefficient of permeability) (cm/s)。(4-7)(4-6, b)2. 達西定律的適用范圍 (Applicable scope)（1）粗粒土小于臨界流速 (Critical velocity) Vcr（圖4-3）（2）密實粘土大于起始水力坡降 (Incept hydraulic gradient) ib（圖4-4）達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，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)

5、，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，也稱假想滲流速度達西定律的適用范圍 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 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速 (m/h)礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe=Re5時層流Re 200時紊流200 Re 5時為過渡區(qū) 4.2.3 土的滲透系數(shù)及其測定 Permeabili

6、ty coefficient of soils and its measurement1. 滲透系數(shù)的物理意義 (Physical meaning)2. 壩基土層滲透性分類（1）強透水層 (Strong permeable layer) (k10-110-2 cm/s)（2）中等透水層 (k10-210-4 cm/s) Moderate permeable layer（3）相對不透水層 (k10-410-7 cm/s) Relative impermeable layer 3. 室內(nèi)滲透試驗 (Permeability test in door)（1）常水頭 粗粒土 Constant head

7、 permeability test for coarse-grained soil(4-9)土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關ahL土樣AVQ變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀（2）變水頭 細粒土 Falling head permeability test for fine-grained soil兩邊積分，得(4-10)(4-11)室內(nèi)試驗方法小結常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值h=consth變化h，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，Lh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土滲透系數(shù)的測定方法 常水頭試驗法 變水頭試驗法

8、井孔抽水試驗 井孔注水試驗 室內(nèi)試驗方法 野外試驗方法4. 現(xiàn)場滲透試驗 (Permeability test in site) （自學）（1）抽水法 (Pumping test)（2）注水法 (Water injection test)5. 經(jīng)驗估算法 (Empirical estimate formula) 常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表41。 常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表42。4. 現(xiàn)場滲透試驗 (Permeability test in site) （自學）（1）抽水法 (Pumping test)（2）注水法 (Water injection test)5. 經(jīng)

9、驗估算法 (Empirical estimate formula) 常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表41。 常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表42?，F(xiàn)場測定法抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層 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) 缺點：費用較高，耗時較長觀察井4.3 滲流作用下的應力狀態(tài)Section 3 Stress state under seepage4.3.1 靜水中土的有效應力和孔隙水壓力(圖4-8(a) Effective stress and pore water press

10、ure in static water4.3.2 穩(wěn)定滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力 Effective stress and pore water pressure in case of stable seepage1. 向下滲流的情況 (圖4-8(b) Case of seepage downwards由試樣22截面的受力平衡 (Static equilibrium) 得：(4-16)(4-17)由有效應力原理得：2. 向上滲流的情況（圖4-5 (c)）Case of Seepage upwards由有效應力原理得：(4-17, a)(4-17, b)3. 結論 (Conclusions

11、)（1）有效應力狀態(tài)可用試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（2）有效應力狀態(tài)與滲流作用的方向有關4.4.1 滲透力 (Seepage force) 1. 總滲透力 (Total seepage force)2. 滲透力 j3. 有效應力狀態(tài)的兩種表示方法（1）試樣的浮重度與土骨架所受的滲透力 j表示(4-18)(4-17, c)4.4 土的滲透穩(wěn)定Section 4 Seepage stability of soils滲透變形（Seepage failure）（2）試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（式(4-17)）4.4.2 滲透破壞的形式 (Types of seepage fai

12、lure)1. 流土 (Heaving, Boiling)（圖4-9 (b)）2. 管涌 (Piping) （圖4-9 (a)）3. 接觸流失 (Contact lose) 4. 接觸沖刷 (Contact scouring) 圖4-9滲透變形 - 流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)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)生流土破壞粘性土k1k2砂性土k2壩體滲流 原因：與土的密實度有關壩體滲透變形 管涌 原因內(nèi)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小顆粒，通過較大顆粒所形成

13、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4.4.3 滲透破壞的判別 (Judgement)1. 粘性土和均勻砂 流土 Cohesive soil and uniform sand2. 級配不連續(xù)的砂礫石 Discontinuously graded sandy gravel（1）填料含量 (Filling content)35%流土（3）填料含量 (Filling content)2535%過渡型 (Transition

14、type)3. 級配連續(xù)的砂礫石 Continuously graded sandy gravel（1）平均孔隙直徑D0可流動填料直徑d5管涌 Mean void diameter Flowable filling diameter d5Piping（2）平均孔隙直徑D0可流動填料直徑d3流土（3）平均孔隙直徑D0介于可流動填料直徑d3 d5之間過渡型4.4.4 滲透破壞的臨界坡降 Critical hydraulic gradient of seepage failure1. 流土 (Boiling)(圖4-10) 當 時， 代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)粘性土發(fā)生流土破壞

15、的經(jīng)驗臨界坡降 (Experiential values) 0.81.2允許抗?jié)B坡降 i: 一般砂土=0.40.5；細粒含量大于35%砂礫料0.50.8 Allowable seepage resistant gradient 實際允許坡降較大，粘性土可達46(4-21,a)(4-21,b)（1）icr 是 Cu 的函數(shù)（圖4-11(a)）（2）icr 決定于細粒填料的含量（圖4-11(b)） 砂礫料的抗?jié)B坡降見P80表4-3。(4-23)2. 管涌 (Piping)圖4-11Fs: 安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降 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

16、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：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較均勻土（Cu10） 幾何條件 水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 d5d0 = 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

17、 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。可用管涌臨界水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土過渡管涌水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降 i0.15-0.250.1-0.2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(nèi)

18、細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)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較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口透水層不透水層防滲體壩體浸潤線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 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 防治管涌工程實例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲流中的水頭與水力坡降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)平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制及應用 滲透力：概念與計算滲透變形：類型、條件、防治平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某

19、一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，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h=h(x,z), v=v(x,z)與時間無關 穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流h平面穩(wěn)定滲流滲流的連續(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(nèi)流出單元的水量: 連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz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：特例：各向同性均質土體 kx=kzLaplace方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程H1H21231水頭邊界條件 在邊界1上給定水頭12流速邊界條件 在邊界2上給定法向流速43滲出面

20、在邊界3上H=z，vn0自由水面* 在邊界4上H=z，vn=0滲流的邊界條件4平面穩(wěn)定滲流問題描述 運動方程： 邊界條件：水頭邊界條件 在邊界1上給定水頭12流速邊界條件 在邊界2上給定法向流速43滲出面 在邊界3上h=z，vn0自由水面* 在邊界4上h=z，vn=0或：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：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1. 平面穩(wěn)定滲流的基

21、本方程 Basic differential equation of Plane steady seepage2. 流網(wǎng)及其特性（圖4-13） Flow net and its properties3. 水力要素的計算 Calculation of hydraulic parameters(4-23,c)4.5 平面滲流和流網(wǎng)的應用Section 5 Plane seepage and application of flow net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

22、線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)+d +dvsl圖4-13（1）孔隙水壓力 (Pore water pressure) u（2）水力坡降 (Hydraulic gradient) i（3）滲流量 (Seepage discharge) 對各向同性土體 (For isotropic soil)(4-26,a)(4-26,b)(4-25)(4-24)4.6 有關土滲透性的幾個問題Section 6 Several problems of permeability of soils4.6.1 影響土的滲透性的因素 Effect factors on soil permeability1. 土粒大小和級配 (P

23、article size and grading)（1）土粒大小特征直徑 (Characteristic diameter) d20（2）細顆粒含量 (Fine particle content)（圖4-14(a)）（3）含礫量 (Gravel content) （圖4-14(b)）（4）粘土顆粒的礦物成份 (Mineralogical composition)(4-27)飽和曲線含水量 wWop干容重 dmax1含水量 w滲透系數(shù) k絮狀結構 分散結構滲透系數(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圖 4-11圖4-142. 土的密度（孔隙比或孔隙率）（圖4-15） Soil density (Void ratio or porosity)3. 水的動力粘滯系數(shù) Coefficient of dy