土力學(xué)3章-土的滲透性及滲流

土的滲透性和滲流問題第三章碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質(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1概述能量差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滲水壓力揚(yáng)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透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流滲流滑坡滲流滑坡滲透問題滲流量滲透破壞如何控制一．滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑板樁墻ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面水力坡降線總水頭－單位質(zhì)量水體所具有的能量z：位置水頭p/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：土中滲流是有水頭差或水力梯度引起的。二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓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/T粗粒土：①礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s。

適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土

兩種特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)三.滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測(cè)變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh變化，A，L=const量測(cè)變量:

Δh

，t透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhΔtdhdVi=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVi=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t1，t2,計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值

野外測(cè)定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)地下水位≈測(cè)壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：2.影響因素粒徑大小及級(jí)配孔隙比（密實(shí)度）礦物成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造三.滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（水的溫度）飽和度（含氣量）—對(duì)k影響很大，封閉氣泡四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù)ki:qx=vxH=kxiHqx=Σqix=ΣkiiiHiH1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲流:v承壓水條件:等效滲透系數(shù)kx:vi=ki(Δhi/Hi)3平面滲流與流網(wǎng)一.平面滲流的基本方程及求解連續(xù)性條件假定：ΔhΔh恒定穩(wěn)定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬：dy=1與時(shí)間無關(guān)達(dá)西定律平面滲流的基本方程1.基本方程①與kx,kz無關(guān)②滿足它的是兩個(gè)共軛調(diào)合函數(shù)——?jiǎng)莺瘮?shù)和流函數(shù)連續(xù)性條件達(dá)西定律假定Laplace方程特點(diǎn)描述滲流場(chǎng)內(nèi)部的測(cè)管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

確定滲流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的測(cè)管水頭h的分布基本方程邊界條件定解條件二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用(求解拉普拉斯方程）流網(wǎng)——滲流場(chǎng)中的兩族相互正交曲線——等勢(shì)線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。等勢(shì)線——測(cè)管水頭相同的點(diǎn)之連線。流網(wǎng)法——通過繪制流線與勢(shì)線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。H△h0基本要求1.正交性：流線與等勢(shì)線必須正交H△h0lsls2.各個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比c應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿足流場(chǎng)邊界條件要求，保證解的唯一性。ABCDlsH△h00ls繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場(chǎng)的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢(shì)線正交性曲邊正方形初步繪制流網(wǎng)流線→等勢(shì)線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖按比例畫出剖面圖流網(wǎng)特點(diǎn)等勢(shì)線上各點(diǎn)測(cè)管水頭h相等。各個(gè)流槽的滲流量相等相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相等H△h0lsls測(cè)管水頭h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量水力坡降H△H0lsls4滲透力與滲透變形一.滲透力試驗(yàn)觀察Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0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。滲透力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。滲透變形滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP下P上水柱隔離體水柱重力土粒對(duì)水流的阻力T=滲流力J水界壓力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab總阻力平衡條件滲透力的性質(zhì)物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力J=γwi大?。悍较颍号c滲流方向一致作用對(duì)象：土骨架基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土、流砂管涌、潛蝕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防治措施粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型流土流砂在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象滲流原因：1.基本類型管涌潛蝕原因：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通的管道。管涌管涌破壞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)細(xì)顆粒通過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)配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口2.形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0[i]:

允許坡降i<icr:i=

i