土力學(xué)教學(xué)課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定

1、土力學(xué)教學(xué)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(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當(dāng)飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)向能量低的點(diǎn)流動(dòng) 水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象稱為滲流 土具有被水等液體透過(guò)的性質(zhì)稱為土的滲透性2. 滲流引起的問(wèn)題 (Problems induced by seepage)（1）滲漏 (Leakage)（2）滲透破壞 (Seepage failure)（3）影響土體的固結(jié)、強(qiáng)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(rùn)線滲流問(wèn)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(hù)下的基坑滲流滲流問(wèn)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(shí)例滲流問(wèn)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(shí)地下水位降雨入滲引起的滑坡滲流問(wèn)題：1. 滲透力？2. 入滲過(guò)程？事故實(shí)例滲流量揚(yáng)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(jié)構(gòu)物 基礎(chǔ)工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強(qiáng)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(dá)西定律 Darcys law1. 達(dá)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(dá)西砂土試驗(yàn)裝置

4、(4-6, a)LAh1h2QQ透水石引入水力坡降，則上式可改寫(xiě)為： Q = kiA上式還可寫(xiě)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(dá)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(shí)粘土大于起始水力坡降 (Incept hydraulic gradient) ib（圖4-4）達(dá)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(zhì)有關(guān)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(shí)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(dá)西定律的適用范圍 適用條件：層流（線性流動(dòng)）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問(wèn)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(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律?？捎美字Z數(shù)進(jìn)行判斷 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)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(xì)砂極細(xì)砂h10dvRe=Re5時(shí)層流Re 200時(shí)紊流200 Re 5時(shí)為過(guò)渡區(qū) 4.2.3 土的滲透系數(shù)及其測(cè)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(qiáng)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(duì)不透水層 (k10-410-7 cm/s) Relative impermeable layer 3. 室內(nèi)滲透試驗(yàn) (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(cè)管開(kāi)關(guān)ahL土樣AVQ變水頭試驗(yàn)儀常水頭試驗(yàn)儀變水頭試驗(yàn)儀常水頭試驗(yàn)儀變水頭試驗(yàn)儀常水頭試驗(yàn)儀（2）變水頭 細(xì)粒土 Falling head permeability test for fine-grained soil兩邊積分，得(4-10)(4-11)室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定公式取值h=consth變化h，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，Lh，t不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土滲透系數(shù)的測(cè)定方法 常水頭試驗(yàn)法 變水頭試驗(yàn)法

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

9、驗(yàn)估算法 (Empirical estimate formula) 常見(jiàn)的滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式見(jiàn)P73表41。 常見(jiàn)的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見(jiàn)P73表42。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法抽水試驗(yàn)抽水量Qr1r2h1h2井不透水層 試驗(yàn)條件: Q=const 量測(cè)變量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù) 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)觀察井4.3 滲流作用下的應(yīng)力狀態(tài)Section 3 Stress state under seepage4.3.1 靜水中土的有效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力原理得：2. 向上滲流的情況（圖4-5 (c)）Case of Seepage upwards由有效應(yīng)力原理得：(4-17, a)(4-17, b)3. 結(jié)論 (Conclusions

11、)（1）有效應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)與滲流作用的方向有關(guān)4.4.1 滲透力 (Seepage force) 1. 總滲透力 (Total seepage force)2. 滲透力 j3. 有效應(yīng)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(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)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(shí)度有關(guān)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(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成

13、的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過(guò)程演示1. 在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失2. 孔隙不斷擴(kuò)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(jí)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(guò)渡型 (Transition

14、type)3. 級(jí)配連續(xù)的砂礫石 Continuously graded sandy gravel（1）平均孔隙直徑D0可流動(dòng)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(dòng)填料直徑d3流土（3）平均孔隙直徑D0介于可流動(dòng)填料直徑d3 d5之間過(guò)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(dāng) 時(shí)， 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(yàn)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(xì)粒含量大于35%砂礫料0.50.8 Allowable seepage resistant gradient 實(shí)際允許坡降較大，粘性土可達(dá)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(xì)粒填料的含量（圖4-11(b)） 砂礫料的抗?jié)B坡降見(jiàn)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(shè)計(jì)：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(wú)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(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)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(wú)粘性土管涌的判別級(jí)配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細(xì)顆粒不均勻土（Cu10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細(xì)粒含量35%細(xì)粒含量25%細(xì)粒含量=25-35%d0 d5d0 = d3-d5管涌土過(guò)渡型土非管涌土非管涌土管涌土過(guò)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(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑

17、 幾何條件 水力條件無(wú)粘性土管涌的判別 滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)?？捎霉苡颗R界水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土過(guò)渡管涌水力坡降級(jí)配連續(xù)土級(jí)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(guó)學(xué)者 Cu 20時(shí), 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(shí)發(fā)生移動(dòng)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(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)

18、細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)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(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口透水層不透水層防滲體壩體浸潤(rùn)線滲透變形的防治措施 減小i：上游延長(zhǎng)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(shè)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(shí)例滲流問(wèn)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(yàn)與達(dá)西定律滲透系數(shù)的測(cè)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(yīng)用 滲透力：概念與計(jì)算滲透變形：類型、條件、防治平面問(wèn)題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某

19、一個(gè)方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個(gè)平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。對(duì)平面問(wèn)題，常取dy=1m單位寬度的一片來(lái)進(jìn)行分析h=h(x,z), v=v(x,z)與時(shí)間無(wú)關(guān) 穩(wěn)定滲流：流場(chǎng)不隨時(shí)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(shí)間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程： 單位時(shí)間內(nèi)流出單元的水量: 連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz滲流的運(yùn)動(dòng)方程 達(dá)西定律： 滲流的連續(xù)性方程：滲流的運(yùn)動(dòng)方程：特例：各向同性均質(zhì)土體 kx=kzLaplace方程，描述滲流場(chǎng)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(wèn)題描述 運(yùn)動(dòng)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(xué)解析法或近似解析法：求取滲流運(yùn)動(dòng)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(lái)得到迅速地發(fā)展電比擬試驗(yàn)法：利用電場(chǎng)來(lái)模擬滲流場(chǎng)，簡(jiǎn)便、直觀，可以用于二維問(wèn)題和三維問(wèn)題流網(wǎng)法：簡(jiǎn)便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問(wèn)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(jì)算 Calculation of hydraulic parameters(4-23,c)4.5 平面滲流和流網(wǎng)的應(yīng)用Section 5 Plane seepage and application of flow net流網(wǎng)及其特性流線和等勢(shì)線正交流網(wǎng)中應(yīng)使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢(shì)線間的勢(shì)函數(shù)（水頭）差不變流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長(zhǎng)比為常數(shù)，通常取為1在流場(chǎng)中，流線和等勢(shì)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(duì)各向同性土體 (For isotropic soil)(4-26,a)(4-26,b)(4-25)(4-24)4.6 有關(guān)土滲透性的幾個(gè)問(wèn)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(jí)配 (P

23、article size and grading)（1）土粒大小特征直徑 (Characteristic diameter) d20（2）細(xì)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(jié)構(gòu) 分散結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素 土的性質(zhì) 水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素 水的動(dòng)力粘滯系數(shù)： 溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對(duì)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(zhì) 水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)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(dòng)力粘滯系數(shù) Coefficient of dy