土力學第三章土的滲透性

土力學第三章土的滲透性第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六砂土的達西定律砂土的達西定律：

當水流處于層流狀態(tài)時，砂土的滲透速度與水力坡降成正比。砂土的滲透性：砂土顆粒較粗，顆粒之間不存在連接力，只要存在水力坡降，水在砂土中就會發(fā)生流動。滲透系數：指水力坡降等于1時的滲透速度。反映土體滲透性的大小。第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六粘性土的達西定律粘性土的達西定律：當水流處于層流狀態(tài)時，粘性土的滲透速度與水力坡降成正比。起始水力坡降ib：由于粘性土的顆粒之間存在連接力所致。粘性土的滲透性：相同水力坡降條件下，水在砂土中可以流動，而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降時才流動第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透系數的測定試驗方法：常水頭試驗、變水頭試驗常水頭試驗：在試驗過程中水頭始終保持不變，適用于粗粒土。測定在一定時間內流出的水量計算滲透系數。變水頭試驗：在試驗過程中水頭不斷變化，適用于細粒土。測定水頭下降一定高度所需要的時間計算滲透系數。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透試驗簡圖常水頭試驗：試驗過程中，h保持不變變水頭試驗：試驗過程中，h隨時間變化（下降）第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六土的透水性劃分根據滲透系數的大小，土的透水性劃分為三類：

強透水性土：k>10-2cm/s

中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s

弱透水性土：k<10-6cm/s實際工程中，根據實際部位的要求，選擇相應透水性的土體。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透系數的影響因素-1影響因素：顆粒大小和級配、孔隙比、水的動力粘滯系數、封閉氣體、有機質和膠體顆粒、成層土顆粒大小和級配的影響：顆粒大，滲透系數大；顆粒小，滲透系數小。級配不均勻的滲透系數小于級配均勻的滲透系數，說明級配越不均勻，滲透系數越??；級配越均勻，滲透系數越大?？紫侗鹊挠绊懀和猎剿缮?，孔隙比越大，則滲透系數越大；土越緊密，孔隙比越小，則滲透系數越小。有機質和膠體顆粒的影響：有機質越多，膠體顆粒含量越少，滲透系數越大。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透系數影響因素-2水的動力粘滯系數的影響：滲透系數k隨溫度的變化而變化。滲透系數以10C時的溫度為準，其它溫度下的滲透系數kT需換算成10C下的滲透系數k10：k10=kT.T/10（是水的動力粘滯系數）封閉氣體的影響：土中氣體分為兩部分：自由氣體、封閉氣體。封閉氣體的存在，會阻塞通道，影響土的滲透性。封閉氣體含量越多，則滲透系數越小。成層土的影響：水平方向的滲透系數總是大于垂直方向的滲透系數。第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六成層土的滲透性因為土實際上是成層分布的，所以存在著平行層理方向和垂直層理方向的滲透系數。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六平行層理方向的滲透系數兩層土的滲透系數：具有以下特性：1）各層的水力坡降相等，即i=i1=i2；2）總滲流量等于各分層流量之和，即q=q1+q2則兩層土的水平向滲透系數為：

n層土的滲透系數：第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六垂直層理方向的滲透系數兩層土的滲透系數：具有以下特性：1）總水頭等于兩部分水頭損失之和，即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2；2）各層的滲流量相等，即q=q1=q2。則兩層土的垂直向滲透系數為：

n層土的滲透系數：第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六討論水平方向的滲透系數總是大于垂直方向的滲透系數kx>ky說明：1）如果成層土的厚度大致相同，而滲透系數又相差比較大的情況下，水平方向的滲透系數取決于透水性最大一層的滲透系數；2）垂直方向的滲透系數則取決于最不透水一層的滲透系數。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六有效應力和孔隙水壓力外荷載分擔：外加荷載作用在土體上，一部分由土顆粒承擔，一部分由孔隙水承擔，一部分由孔隙氣體承擔。對于飽和土，外加荷載只由土顆粒和水承擔?？倯Γ褐竿夂奢d作用在土體上的總的應力。有效應力：指土體中的土顆粒所承擔的外荷載部分所產生的應力?？紫端畨毫Γ褐竿馏w中的水所承擔的外荷載部分所產生的應力?？倯?、有效應力和孔隙水壓力之間存在關系。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六有效應力原理有效應力原理：指土體在外荷載作用下，孔隙水壓力和有效應力之和始終等于總應力?？紫端畨毫υ黾樱厝灰鹩行p??；孔隙水壓力減小，必然引起有效應力增大，增加的量和減小的量相等。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六計算簡圖分析a-a、b-b水平面上的總應力、孔隙水應力和有效應力滲流方向：1）不發(fā)生滲流h=02）從上往下h<03）從下往上h>0第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六靜水條件下的有效應力原理b-b平面上的應力：總應力為：=h1+sath2孔隙水應力為：u=h1+h2則有效應力為：=-u=sath2-h2=h2討論：1）有效應力與土深成正比，而與水深無關，它是土柱的有效重量（因為水下的土粒受到水的浮力作用，其重量按浮容重計算），成三角形分布；2）孔隙水應力與水深成正比，也成三角形分布。第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)定滲流條件下的有效應力原理-1滲流從上到下：在a-a平面上：孔隙水應力u=h1有效應力=0則總應力=+u=h1在b-b平面上：總應力=h1+sath2孔隙水應力u=h1+h2-h則有效應力=-u=h2+h與靜水條件下比較：總應力不變=h1+sath2，孔隙水應力減小h，而有效應力增加h。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)定滲流條件下的有效應力原理-2滲流從下到上：在a-a平面上：孔隙水應力u=h1有效應力=0則總應力=+u=h1在b-b平面上：總應力=h1+sath2孔隙水應力u=h1+h2+h則有效應力=-u=h2-h與靜水條件比較：總應力不變=h1+sath2，孔隙水應力增加h，有效應力等量減小h。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲流作用下的有效應力原理靜水條件下的有效應力：

等于土體的浮容重乘以水頭高度。穩(wěn)定滲流條件下的有效應力：

滲流從上到下：有效應力等于土體的浮容重乘以水頭高度再加上水的容重乘以水頭高度。

滲流從下到上：有效應力等于土體的浮容重乘以水頭高度再減去水的容重乘以水頭高度。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透力滲透力J：指滲透水流對土顆粒的作用力。

方向：與滲透水流的運動方向一致。單位體積滲透力j：指總滲透力與試樣體積之比。方向：與總滲透力的方向一致。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六單位體積滲透力-1土粒對水流的阻力：水要流過試樣，必須克服整個試樣內土粒對水流的阻力所引起的水頭損失h，這時土粒對水流阻力為：F=hA第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六單位體積滲透力-2總滲透力：由于土中水的滲透速度很小，流動水體的慣性力可以不計，根據平衡條件，滲流作用于試樣的總滲透力J就等于試樣中土粒對水流的阻力F，只是方向相反，即：J=F=hA單位體積滲透力：作用在單位土體上的滲透力j為：單位：KN/m3第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六說明單位體積滲透力與水力坡降的一次方成正比；單位體積滲透力是一個體積力；滲透力的方向與滲流方向一致；滲透力的作用點在土體的重心處。當滲流方向與土體的重力方向相反時，滲流的運動對土體的穩(wěn)定有影響。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六滲透變形滲透變形：指滲透水流導致土體發(fā)生變形或破壞的現象。滲透變形的形式：流土、管涌流土：指粘性土或非粘性土在滲透水流作用下，土中某一部分土體同時發(fā)生移動的現象，發(fā)生于滲流出逸處。管涌：非粘性土在滲透水流作用下，土中細小顆粒沿著粗大顆粒間的孔隙被帶出到土體外面的現象，發(fā)生于土體內部或滲流出逸處。第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六土體的臨界狀態(tài)-1土體的臨界狀態(tài)：指土體即將發(fā)生滲透變形時的狀態(tài)。滲流從下往上滲透力與浮容重的關系：總滲透力為：J=hA=AiL，方向向上試樣浮重為：W=AL方向向下如果提高貯水器，使總滲透力與試樣的浮重相等則：J=W

AiL=AL

=i

=/i表明：滲透力就等于浮容重j==i第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六土體的臨界狀態(tài)-2土體中的有效應力：當土體處于臨界狀態(tài)時，滲流方向從下往上，這時，滲透力等于土樣的浮容重，土體中的有效應力為：=h2-h=h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0

說明：有效應力為0，表明土顆粒間不存在接觸應力，在滲流作用下，試樣處于即將被浮動的臨界狀態(tài)。所以，土體的滲透變形取決于土的浮容重與向上的滲透力的大小。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六臨界水力坡降臨界水力坡降：指土體即將發(fā)生滲透變形時的水力坡降。這時，向上的滲透力等于土體的浮重量，土體中的有效應力為0。流土的臨界水力坡降：管涌的臨界水力坡降：目前計算還不完善第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六允許水力坡降為保證土體的安全穩(wěn)定，應考慮一定的安全系數。允許水力坡降