天津大學(xué) 土力學(xué) 土的滲透性與滲流

土的滲透性與滲流第三章基本要求：1.掌握達(dá)西定律2.掌握滲透力的概念與計(jì)算3.掌握兩種滲透變形破壞的機(jī)理§3土的水的滲透性碎散性多孔介質(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、油等液體透過(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§3.1概述能量差§3土中水的滲透性

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§3土中水的滲透性

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§3土中水的滲透性

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§3土中水的滲透性

滲流滑坡滲流滑坡§3.2土的滲透性試驗(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)§3土中水的滲透性試驗(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，Q，tΔh=h1-h2q=Q/t2.

達(dá)西定律

達(dá)西定律§3土中水的滲透性

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)。一.達(dá)西定律k: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/day2.達(dá)西定律§3.2土的滲透性粗粒土：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

)二滲透系數(shù)的測(cè)定室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法§3土中水的滲透性

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)測(cè)定方法（一）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:

Q，ti=Δh/LQ=qt=vAtv=ki適用土類：透水性較好的砂性土二、土的滲透系數(shù)的測(cè)定二土的滲透系數(shù)的測(cè)定二、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：

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

Δh2,t，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t室內(nèi)兩種試驗(yàn)方法比較不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土野外測(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)：三、影響因素

粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)合水膜的厚度水的動(dòng)力粘滯系數(shù)飽和度（含氣量）—對(duì)k影響很大，封閉氣泡§3.4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(lái)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ab§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ`L土水整體分析§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ`L－γwΔhR=γ`L

滲流中的土體§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1R=γ’L－γwΔhR=γ’L滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，支持力減少減少的部分由誰(shuí)承擔(dān)？水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi§3.4滲透力與滲透變形

一.滲透力滲透力的性質(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）

流砂管涌§3.6滲透力與滲透變形§3土中水的滲透規(guī)律

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§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1R=γ’L－γwΔh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，支持力減少臨界水力坡降i=Δh/L=γ`/γwicr=

γ`/γwγ’L－γwΔh=0粘性土k1<<k2砂性土k2壩體二.滲透變形（滲透破壞）流土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§3.4滲透力與滲透變形滲流原因：1.基本類型二.滲透變形（滲透破壞）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)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道?！?.4滲透力與滲透變形管涌管涌破壞1.基本類型流土與管涌的比較流砂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)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§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形2.形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流砂經(jīng)驗(yàn)判斷：3.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形防治流砂土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤(rùn)線透水層不透水層減小i

：上游延長(zhǎng)滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降§3土中水的滲透規(guī)律

透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流1.飽和土中的應(yīng)力形態(tài)PSPSVaa§3.5滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力一.有效應(yīng)力原理的基本概念PSA：Aw：As：土單元的斷面積顆粒接觸點(diǎn)的面積孔隙水的斷面積a-a斷面通過(guò)土顆粒的接觸點(diǎn)有效應(yīng)力σ’a-a斷面豎向力平衡：u：孔隙水壓力§3.5滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力2.飽和土的有效應(yīng)力原理基本內(nèi)容（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分σ’和u，并且（2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測(cè)定或算定通常,③孔隙水壓力的作用

對(duì)土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻(xiàn)，并且水不能承受剪應(yīng)力，因而孔隙水壓力對(duì)土的強(qiáng)度沒有直接的影響；它在各個(gè)方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小。因而孔隙水壓力對(duì)變形也沒有直接的影響，土體不會(huì)因?yàn)槭艿剿畨毫Φ淖饔枚兊妹軐?shí)。①變形的原因顆粒間克服摩擦相對(duì)滑移、滾動(dòng)—與σ’有關(guān)；接觸點(diǎn)處應(yīng)力過(guò)大而破碎—與σ’有關(guān)。②強(qiáng)度的成因

凝聚力和摩擦—與σ’有關(guān)飽和土的有效應(yīng)力原理（2）（1）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力二、在靜水條件下土中的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖為浸沒在水下的飽和土體，設(shè)土面至水面的距離為h1,土的飽和容重為γsat，則土面下深度為h2的a-a平面上的總應(yīng)力為孔隙水應(yīng)力為于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為由此可見，在靜水條件下，孔隙水應(yīng)力等于研究平面上單位面積的水柱重量，與水深成正比，呈三角形分布；有效應(yīng)力等于研究平面上單位面積的土柱有效重量，與土層深度成正比，也呈三角形分布，與超出土面以上靜水位的高低無(wú)關(guān)。三、在穩(wěn)定滲流作用下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖表示在水位差作用下，發(fā)生由上向下的滲流情況。此時(shí)在土層表面b-b上的孔隙水應(yīng)力與靜水情況相同，仍等于γwh1，a-a平面上的孔隙水應(yīng)力將因水頭損失而減小，其值為a-a平面上的總應(yīng)