土力學(xué)地基與基礎(chǔ)課程講義3土的滲透性

第3章土的滲透性和滲流力碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲透滲透性土具有被水、氣等液體透過(guò)的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性概述能量差水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲流量滲透變形石壩浸潤(rùn)線透水層不透水層石壩壩基壩身滲流滲透壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流量滲透變形滲透壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形水頭梯度土坡穩(wěn)定分析§3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三．滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素能量方程滲流速度的規(guī)律滲透特性四．層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)一、滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面z：位置水頭A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：二、滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測(cè)變量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T2.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(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)。注意：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土土：①礫石石類土土中的的滲流流不符符合達(dá)達(dá)西定定律②砂土土中滲滲透速速度vcr=0.3-0.5cm/s適用條條件ivovcrivi0層流（（線性性流））——大大部分分砂土土，粉粉土；；疏松松的粘粘土及及砂性性較重重的粘粘性土土兩種特特例粘性土土：致密密的的粘粘土土i>i0,v=k(i-i0)三、、滲滲透透系系數(shù)數(shù)的的測(cè)測(cè)定定及及影影響響因因素素室內(nèi)內(nèi)試試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)定定方方法法常水水頭頭試試驗(yàn)驗(yàn)法法變水水頭頭試試驗(yàn)驗(yàn)法法井孔孔抽抽水水試試驗(yàn)驗(yàn)井孔孔注注水水試試驗(yàn)驗(yàn)1.測(cè)定定方方法法野外外試試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)定定方方法法室內(nèi)內(nèi)試試驗(yàn)驗(yàn)方方法法1——常水水頭頭試試驗(yàn)驗(yàn)法法結(jié)果果整整理理試驗(yàn)驗(yàn)裝裝置置：：如圖圖試驗(yàn)驗(yàn)條條件件:Δh，A，L=const量測(cè)測(cè)變變量量:V，ti=ΔΔh/LV=Qt=vAtv=ki適用用土土類類：：透水水性性較較大大的的砂砂性性土土室內(nèi)內(nèi)試試驗(yàn)驗(yàn)方方法法2——變水水頭頭試試驗(yàn)驗(yàn)法法試驗(yàn)驗(yàn)裝裝置置：：如圖圖試驗(yàn)驗(yàn)條條件件:Δh變化化，A，L=const量測(cè)測(cè)變變量量:Δh，t對(duì)于于透透水水性性較較小小的的粘粘性性土土，，應(yīng)采用變變水頭試試驗(yàn)法結(jié)果整理理:理論依據(jù)據(jù):t時(shí)刻：ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：：連續(xù)性條條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組組Δh1,Δh2,t，計(jì)算相相應(yīng)的k，取平均均值常水頭試試驗(yàn)變水頭試試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后后，取均值值a，A，LΔh，t室內(nèi)試驗(yàn)方方法不同時(shí)段試試驗(yàn)，取均均值適用粗粒土粘性土2.影響因素土粒特性流體特性粒徑大小及及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造造水的動(dòng)力粘粘滯系數(shù)（（水溫）飽和度（含含氣量）—對(duì)k影響很大，，封閉氣泡泡四、層狀地基的的等效滲透透系數(shù)等效滲透系系數(shù)確立各層的的ki根據(jù)滲流方方向確定等等效滲流系系數(shù)天然土層多多呈層狀H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiH1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲滲流v承壓水水條件:等效滲滲透系系數(shù):vi=ki(Δhi/Hi)水平滲滲流情情形垂直滲滲流情情形條件已知等效推定§3.3平面滲滲流與與流網(wǎng)網(wǎng)Laplace方程一、平面滲滲流的的基本本方程程及求求解連續(xù)性性條件件假定：Δh對(duì)于穩(wěn)穩(wěn)定滲滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬寬：dy=1與時(shí)間間無(wú)關(guān)關(guān)達(dá)西定定律平面滲滲流的的基本本方程程1.基本方方程連續(xù)性性條件件達(dá)西定定律假定Laplace方程①與kx,kz無(wú)關(guān)②滿足足它的的是兩兩個(gè)共共軛調(diào)調(diào)合函函數(shù)————?jiǎng)莺瘮?shù)和和流函函數(shù)特點(diǎn)描述滲滲流場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)部部的測(cè)測(cè)管水水頭的的分布布，是是平面面穩(wěn)定定滲流流的基基本方方程式式2.求解方方法基本方方程邊界條件件解析方法法適用于邊邊界條件件簡(jiǎn)單的的情況通解：兩兩個(gè)共軛軛調(diào)和函函數(shù)勢(shì)函數(shù)數(shù)Φ(x,z)流函數(shù)數(shù)Ψ(x,z)等勢(shì)線線流線邊界條條件特定解解二、流流網(wǎng)的的繪制制及應(yīng)應(yīng)用流網(wǎng)———滲流場(chǎng)場(chǎng)中的的兩族族相互互正交交曲線線———等勢(shì)勢(shì)線和和流線線所形形成的的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)狀曲曲線簇簇。流線———水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的軌跡線線。等勢(shì)線———測(cè)管水頭相相同的點(diǎn)之之連線。。流網(wǎng)法———通過(guò)繪制流流線與勢(shì)線線的網(wǎng)絡(luò)狀狀曲線簇來(lái)來(lái)求解滲流流問(wèn)題?；疽?.正交性：流流線與等勢(shì)勢(shì)線必須正正交H△h0lsls2.各個(gè)網(wǎng)格的的長(zhǎng)寬比c應(yīng)為常數(shù)。。取c=1，即為曲邊正正方形3.在邊界上滿滿足流場(chǎng)邊邊界條件要要求，保證證解的唯一一性。ABCDlsH△h00ls繪制方法根據(jù)滲流場(chǎng)場(chǎng)的邊界條條件確定邊界流流線和首尾尾等勢(shì)線正交性曲邊正方形形流線→等勢(shì)線→反復(fù)修改，，調(diào)整精度較高的的流網(wǎng)圖初步繪制流流網(wǎng)流網(wǎng)特點(diǎn)與上下游水水位變化無(wú)無(wú)關(guān)Δh=const；與k無(wú)關(guān)；等勢(shì)線上各各點(diǎn)測(cè)管水水頭h相等；相鄰鄰等等勢(shì)勢(shì)線線間間的的水水頭頭損損失失相相等等；；各流流槽槽的的滲滲流流量量相相等等。。總水水頭頭差差△h實(shí)際際應(yīng)應(yīng)用用確定定流流速速確定定流流量量水力力坡坡降降§3.4滲透透破破壞壞與與控控制制一、、滲滲透透力力（動(dòng)動(dòng)水水力力））試驗(yàn)驗(yàn)觀觀察察Δh>0水在在流流動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)，，水水流流受受到到來(lái)來(lái)自自土土骨骨架架的的阻阻力力，，同同時(shí)時(shí)流流動(dòng)動(dòng)的的孔孔隙隙水水對(duì)對(duì)土土骨骨架架產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)摩摩擦擦、、拖拖曳曳力力。。滲透力j——滲透作用用中，孔隙水水對(duì)土骨架的的作用力，方方向與滲流方方向一致。滲透變形滲透力Δh=0靜水中，土骨骨架會(huì)受到浮浮力作用。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體體A=1WP1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhwR=土水整整體分分析h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(P1=γwhwP2=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L－γwΔh滲流中中的土土體靜水中中的土土體R=γ’L－γwΔhR=γ’L滲流中中的土土體向上滲滲流存存在時(shí)時(shí)，濾網(wǎng)支支持力力減少水與土土之間間的作作用力力－滲滲流的的拖曳曳力總滲透透力J=γwΔh滲透力力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwi---體積積力R=γ’L－γwΔh滲流中的土土體所受濾濾網(wǎng)支持力力向上滲流存存在時(shí)，濾濾網(wǎng)支持力力減少臨界水力坡坡降i=Δh/L=γ’/γwicr=γ’/γwγ’L－γwΔh=0滲透力的性性質(zhì)物理意義：：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)內(nèi)土骨架所所受到的滲滲透水流的的拖曳力，，它是體積力j=γwi大小：方向：與滲流方向向一致作用對(duì)象：：土骨架利用流網(wǎng)求求滲透力復(fù)雜條件總滲透力大?。海簀x網(wǎng)格面積方向：：與流線一致致作用點(diǎn)：形心流網(wǎng)較密不同位置的的滲透力對(duì)對(duì)土體穩(wěn)定性H△h0lsls基本類型二、滲透變形（滲透破壞壞）流土管涌土工建筑物物及地基由由于滲流作作用而出現(xiàn)現(xiàn)的變形或或破壞形成條件防治措施1.流土在向上的滲滲透作用下下，表層局局部土體顆顆粒同時(shí)發(fā)發(fā)生懸浮移移動(dòng)的現(xiàn)象象。粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：形成條件Fs:安全系數(shù)1.5～2.0[i]:允許坡降i<icr:i=icr:i>icr:土體處于穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流流土破壞土體處于臨臨界狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)判斷：：管涌2.管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的的粗顆粒形形成大于細(xì)細(xì)粒直徑的的孔隙外因——在滲流作用用下，一定定級(jí)配的無(wú)無(wú)粘性土中中的細(xì)小顆顆粒，通過(guò)過(guò)較大顆粒粒所形成的的孔隙發(fā)生生移動(dòng)，最最終在土中中形成與地地表貫通的的管道。管涌破壞流土與管涌涌的比較流土土體局部范范圍的顆粒粒同時(shí)發(fā)生生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水水流滲出的的表層只要滲透力力足夠大，，可發(fā)生在在任何土中中破壞過(guò)程短短導(dǎo)致下游坡坡面產(chǎn)生局局部滑動(dòng)等等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆顆粒通過(guò)粗粗粒形成的的孔隙通道道移動(dòng)可發(fā)生于土土體內(nèi)部和和滲流溢出出處一般發(fā)生生在特定定級(jí)配的的無(wú)粘性性土或分分散性粘粘土破壞過(guò)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)生塌塌陷或潰潰口3.防治措施施增大[i]：下游增加加透水蓋蓋重防治流土減小i：上游延長(zhǎng)長(zhǎng)滲徑；；下游減小小水壓防治管涌改善幾何何條件：：設(shè)反濾層層等改善水力力條件：：減小滲透透坡降3.4.1概概述土體受力力后的三三個(gè)問(wèn)題題：三相如何何分擔(dān)外外力？全全部由顆顆粒承擔(dān)擔(dān)？三相間的的應(yīng)力如如何傳遞遞和相互互轉(zhuǎn)化？？它們與土土的變形形和強(qiáng)度度有何關(guān)關(guān)系？§3-4有效應(yīng)力力原理●四大定律律：1壓縮定律律（de=-adp）2Coulomb強(qiáng)度定律律3Dachy定律(v=ki)4有效應(yīng)力力原理構(gòu)成了整整個(gè)土力力學(xué)學(xué)科科的結(jié)構(gòu)構(gòu)體系。?！裼行?yīng)力力原理描述總應(yīng)應(yīng)力、有有效應(yīng)力力和孔隙隙壓力三三者之間間的關(guān)系系的理論論原理.當(dāng)土體承受力力系時(shí)，作用用于任一平面面上的總應(yīng)力是由土骨架所所發(fā)揮的有效應(yīng)力和孔隙中流體體所承受的孔隙壓力來(lái)共同承擔(dān)。。Terzaghi1925年最先提出§3-4有效應(yīng)力原理理3.4.2有效應(yīng)應(yīng)力原理●表達(dá)達(dá)式（飽和土、非非飽和土）●實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證●幾點(diǎn)說(shuō)明●不同條件、不不同土有效應(yīng)應(yīng)力的物理含含義●有效應(yīng)力原理理的工程應(yīng)用用§3-4有效應(yīng)力原理理●表達(dá)式A=As+Aw+AaP=Ps+Pw+PaPs=sAsPw=wAwPa=aAaP=sAs+uwAw+uaAaP=Ps+Pw+PaA=As+Aw+Aaa總應(yīng)力：=P/A=ss+uww+uaa(s+w+a=1)※對(duì)于完完全飽和土土，有：ua=0,Aa=0,a=0只有：s+w=1或w=1-s于是：=ss+uww=ss+uw(1-s)=ss+uww=ss+uw(1-s)分析：(1)As值極小，<1%～1‰，可忽忽略，即：：s0;(2)s非常大，可可達(dá)材料屈屈服應(yīng)力，，(ss)不會(huì)趨近近零，形成了一個(gè)個(gè)實(shí)在量:土骨骨架架的的粒粒間間應(yīng)應(yīng)力力，用用’’表示示，，即即’’=ss=’’+uw※對(duì)對(duì)于于部分分飽飽和和土土（（非非飽飽和和土土））1955,畢畢肖肖普普Bishop提出出：：式中中:————由由孔孔隙隙氣氣壓壓力力；；——由由孔孔隙水水壓力力（總總小于于孔隙隙氣壓壓力，，導(dǎo)致致孔隙水表表面受受張力力作用用）；；——毛毛細(xì)細(xì)水壓壓力；；——與與飽飽和度度有關(guān)關(guān)的系系數(shù)：：飽和和土，，；；理想干干土，，。。說(shuō)明明：非飽和和土研研究尚尚處于于起步步階段段，有有待深深入研研究，，但較較復(fù)雜雜?！駥?shí)驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證●幾點(diǎn)說(shuō)說(shuō)明※土的有有效應(yīng)應(yīng)力與與粒間間應(yīng)力力具具有有相同同的含含義。?！锢韮?nèi)內(nèi)涵：實(shí)質(zhì)上上是對(duì)對(duì)于總總應(yīng)力力作用用面積積上經(jīng)經(jīng)過(guò)過(guò)土土顆粒粒之間間傳遞遞的平平均應(yīng)應(yīng)力。。※有效應(yīng)應(yīng)力不不可測(cè)測(cè)，只只能測(cè)測(cè)孔隙隙水壓壓力，，反算算之※孔隙水水壓力力各向向相等等，因因而不不會(huì)造造成土土體壓壓縮；；※有效應(yīng)力力屬于土土顆粒骨骨架間的的直接作作用力,只有有有效應(yīng)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致致土體產(chǎn)產(chǎn)生壓縮縮變形、、發(fā)生強(qiáng)強(qiáng)度變化化，因此此，土土體變變形、破破壞研究究的關(guān)鍵鍵在于土土體有效效應(yīng)力。?！癫煌瑮l件件、不同同土有效效應(yīng)力的的物理含含義(1)極極細(xì)粒土土：分子子間的作作用力有效應(yīng)力力粒間應(yīng)力力與分子子作用力力的綜合合反映(2)高高塑性飽飽和細(xì)粒粒粘土：：粒間水水膜很厚厚，土粒粒尖很少少有接觸觸有效應(yīng)力力主要反映映為顆粒粒之間的的分子力力；(3)非非飽和土土：孔隙隙壓力孔隙氣壓壓力+孔隙隙水壓力力●有效應(yīng)力力原理的的工程應(yīng)應(yīng)用各類設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算問(wèn)問(wèn)題———“有效效應(yīng)力法法”●地基沉降降計(jì)算，，地下水水位以下下均采用用土體有有效自重重應(yīng)力●有效應(yīng)力力喪失是是砂土液液化的根根本原因因，提高高有效(固