土力學(xué)課件：土的滲流

《土力學(xué)》

土的滲流1

為什么要研究土的滲透性3-1

土的滲流理論防滲斜墻及鋪蓋滲透變形土石壩浸潤線滲流量土石壩壩基壩身滲流不透水層透水層2

為什么要研究土的滲透性3-1

土的滲流理論滲水壓力滲透變形板樁墻滲流量板樁圍護(hù)下的基坑滲流不透水層透水層基坑3天然水面

為什么要研究土的滲透性3-1

土的滲流理論滲流量不透水層水井滲流透水層Q4

為什么要研究土的滲透性3-1

土的滲流理論滲流時(shí)地下水位原地下水位滲流量渠道滲流5

為什么要研究土的滲透性3-1

土的滲流理論滲流滑坡6滲流問題：由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體本身結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的一類問題。

概述3-1

土的滲流理論水等液體在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透特性強(qiáng)度特性

變形特性土具有被水等液體透過的性質(zhì)土力學(xué)重要課題互相關(guān)聯(lián)互相影響滲流滲透性多孔介質(zhì)

水在孔隙中流動(dòng)碎散性水頭差7

滲流的基本概念土中水的滲流是由水頭勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，由水頭高(勢(shì)能大)的地方流向水頭低(勢(shì)能小)的地方，總水頭定義為：2u

vh

=

z

+

γ

+

2gz

：位置水頭u/γw

：壓力水頭ww3-1

土的滲流理論h

=

z

+

v2/2g：流速水頭≈08

滲流的基本概念3-1

土的滲流理論水力坡降

(水力梯度)

：滲徑位置水頭為0

基準(zhǔn)面

0

h

=

z

+

2

BABL1

A12h

=z

+

uB

?h

=h

?hh

=z

+

uAi

=

uAγwzAA點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：uBγwzB水頭差：Δh12γwhhγw6

達(dá)西定律法國工程師達(dá)西(Henry

Darcy)進(jìn)行了大量的砂土一維滲透試驗(yàn)，于1856年發(fā)現(xiàn)水在砂土中的滲透速度與水力梯度成線性關(guān)系。3-1

土的滲流理論達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置10

達(dá)西定律水力坡降

i

=

v

=

k

=

ki3-1

土的滲流理論v

=Q

斷面平均流速

v

=A達(dá)西定律：?h

Q

∝ALv

∝iQ

=vA

=kiA滲透系數(shù)或k

·iiv11兩種特例：(

1)粗粒土

：礫石類土中的滲流常不

符合達(dá)西定律(

2)黏性土

：密實(shí)的黏土i

>

i0,

v

=

k(i

-

i0

)達(dá)西定律的適用條件：層流狀態(tài)的滲流巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包

括砂土或一般粘土，均屬層流范圍可用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷：

達(dá)西定律3-1

土的滲流理論Re＜5(1~10)時(shí)層流Re

＞200時(shí)紊流200＞Re

＞5時(shí)為過渡區(qū)12在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定滲透系數(shù)時(shí)，常用現(xiàn)場(chǎng)井孔抽水或注水試驗(yàn)。對(duì)于均質(zhì)的粗粒土層，用現(xiàn)場(chǎng)抽水

試驗(yàn)測(cè)出的滲透系數(shù)值往往比室內(nèi)試驗(yàn)更可靠。

滲透試驗(yàn)與滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)抽水試驗(yàn)注水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)

測(cè)定方法：13常水頭試驗(yàn)常水頭法適用于透水性強(qiáng)的無黏性土。k

=

v

=

Q

/

A

=

Q

?

L

室內(nèi)試驗(yàn)3-1

土的滲流理論i

?h/L

A

??h?

t14

室內(nèi)試驗(yàn)k

=

ln

3-1

土的滲流理論變水頭試驗(yàn)適用于透水性弱的黏性土。dQ

=

k

AdtdQ

=-a

×dh

dt

=?

15=

21 21A=2πrh

i=dh/drQ

=Aki

=2πrh

?k

Q

=

2πkhdh

Qln=πk(h

?h)1222

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地下水位≈測(cè)壓管水面3-1

土的滲流理論

r2

r抽水量Q

Q

ln(r/r

)kπh2

?h2觀察井不透水層dh21rhhhd井r116土的種類滲透系數(shù)(cm/s)卵石、碎石、礫石>10-1砂1

×

10-1~10-3粉土1

×

10-3~10-4粉質(zhì)黏土1

×

10-5~10-6黏土<=10-7

各類土的滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論17滲流與層面平行的情況整個(gè)土層水平向平均滲透系數(shù)為：x

H

j

=1

jx

j

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論k

=

1

k

H18滲流與層面垂直的情況整個(gè)土層豎向平均滲透系數(shù)為：H

H

+

+

……

+

(

)zz

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論=

=

k19對(duì)于水平成層土，如果各土層厚度大致相近，而滲透系數(shù)相差懸殊時(shí)，土層的水平向平均滲透系數(shù)將取決于滲透系數(shù)最大的土層

和土層數(shù)

，而土層的豎直向平均滲透系數(shù)將取決于滲透系數(shù)最小

的土層和土層數(shù)。因此，對(duì)于各土層滲透各向同性的地基土層，水平成層土的水平向平均滲透系數(shù)總大于垂直向平均滲透系數(shù)。

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論20【例題3-1】某一成層土地基，土層厚度分別為H1=4m、H2=4m、H3=4m和H4=4m

，各土層的水平向和豎直向滲透系數(shù)相同，分別為k1=1×10-5

cm/s、k2=1×10-4

cm/s、k3=1×10-3

cm/s和k4=1×10-6

cm/s

，求該地基土層的水平向平均滲透系數(shù)和豎直向平均滲透系數(shù)?！窘狻客翆拥乃较蚱骄鶟B透系數(shù)為kx

=

kjx

Hj

=

cm/s

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論21土層的水平向平均滲透系數(shù)與

=2.5cm/s非常接近。所以，當(dāng)土層厚度比較接近時(shí)，土層的水平向平均滲透系數(shù)由滲透系數(shù)最大的土層和土層數(shù)決定。

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論22土層的豎直向平均滲透系數(shù)為

(

)

=

+

+

+

cm/s土層的豎直向平均滲透系數(shù)與n.k4=4cm/s非常接近。所以，當(dāng)土層厚度比較接近時(shí)，土層的豎直向平均滲透系數(shù)由滲透系數(shù)最小的土層和土層數(shù)決定。=zkkz

=

成層土的(等效)滲透系數(shù)3-1

土的滲流理論

H

4+4+4+4 23礦物成分：對(duì)黏性土，影響顆粒的表面力；不同黏土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊里石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成

份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構(gòu)和構(gòu)造：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對(duì)黏性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀黏性土層，常使得水平向滲透系數(shù)﹥垂直向滲透系數(shù)；對(duì)于豎直方向裂隙發(fā)育的黃土，則豎向滲透系數(shù)更大。粒徑大小及級(jí)配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。

影響滲透系數(shù)的主要因素孔隙比：對(duì)于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。3-1

土的滲流理論土粒特性的影響24

影響滲透系數(shù)的主要因素封閉氣泡對(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3-1

土的滲流理論黏滯性低滲透系數(shù)大流體粘滯性：流體特性的影響飽和度：溫度高25

滲透力Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水向上流動(dòng)，流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一作用力——拖曳力。3-2

滲透力及滲透破壞類型貯水器10濾網(wǎng)wL0a

bΔh砂樣2hhh26滲透力j——水在土體孔隙中流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到土顆粒的阻力，使水頭逐漸損失，同時(shí)水也對(duì)土骨架產(chǎn)生拖曳力，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。單位體積土體中土骨架受到滲透水流的作用力稱為滲透力或動(dòng)水壓力。

滲流

滲透力3-2

滲透力及滲透破壞類型27土柱兩端的水壓力差?p

=γw

?

dh土柱中土骨架對(duì)滲透水流的總阻力為F

，則F

=?p

?dA

=γw

?dh

?dA單位體積土中土骨架對(duì)水流的阻力

f

=

=γw

滲透力與土骨架對(duì)水流的阻力是一對(duì)作用力與反作用力，故滲透水流作用于單位土體土骨架上的滲透力為

j

=

f

=γw

=γw

i

滲透力3-2

滲透力及滲透破壞類型28滲透力的性質(zhì)：力的類型：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，是體積力。大?。簀

=

γw

·i方向：與i

方向一致(均質(zhì)土與滲流方向一致)作用對(duì)象：土骨架

滲透力3-2

滲透力及滲透破壞類型29

滲流破壞滲流破壞：

土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲流變形或者滲流破壞。3-2

滲透力及滲透破壞類型流土管涌形成條件基本類型防治措施30

滲透破壞流土：

指土中發(fā)生自下而上滲流時(shí)，滲透力大小超過土的浮重度，致使土粒間有效應(yīng)力為零，顆粒懸浮、土體表面隆起、土粒流動(dòng)的現(xiàn)象稱為流砂或流土。流土多發(fā)生在顆粒級(jí)配均勻的飽和細(xì)、粉砂和粉土等無黏性土層的滲流逸出處，并具有突發(fā)性的特點(diǎn)。3-2

滲透力及滲透破壞類型31管涌：

指在滲流作用下土體中的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。它一般發(fā)生在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，顆粒大小差別較大，特別是缺

少中間粒徑的無黏性土中。

滲透破壞3-2

滲透力及滲透破壞類型開始管涌壩體沉陷32

滲透破壞流土的臨界水力梯度icr

自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，若豎向滲流力等于土體的有效重量，土體就處于流土的臨界狀態(tài)。3-2

滲透力及滲透破壞類型j

=i

.γwγ′

=

(Gs

?

1)

γ

wwi

=

j

=

γ

'

=

Gs

?

1

j

=γ′

cr

γw

γw

1+e浮重度

滲透力

1+e33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)配的無黏性土或分散性

黏土破壞過程相對(duì)較長土體局部范圍的顆粒同時(shí)

發(fā)生移動(dòng)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

流土與管涌的比較3-2

滲透力及滲透破壞類型導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)、基

坑坍塌的重要原因等現(xiàn)象位置

土類

歷時(shí)后果共同點(diǎn)因土體損失導(dǎo)致土體(及結(jié)構(gòu)物)變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口流土管涌34

流土和管涌的防治措施：減小水頭差；延長滲徑'

γ

γ

w3-2

滲透力及滲透破壞類型防治流土土石壩板樁墻減小i增大icr

透水層?hL：下游增加壓滲蓋重防滲斜墻及鋪蓋i

<

i透水層基坑35cr

流土和管涌的防治措施改善幾何條件：改善級(jí)配

設(shè)反濾層等改善水力條件：減小水力坡降3-2

滲透力及滲透破壞類型防治管涌36如圖所示的裝置中，砂土受自下而上滲流作用，已知砂土樣厚度L=25cm

，水頭差Δh=20cm

，γw取10.0kN/m3

。(1)計(jì)算滲透力的大??；(2)若砂土的土粒重度γs=26.8kN/m3,e=0.72,是否會(huì)出現(xiàn)流土現(xiàn)象？(3)若要出現(xiàn)流土，計(jì)算最小的水頭差。

例題

3-23-2

滲透力及滲透破壞類型37w

L

w

251+e1+0.72(3)臨界水力梯度icr

===0.976

例題

3-2

)

滲透力大小為：

j

=

i

?γ

=

?h

γ

=

20

×

10

=

8kN

/

m31：(解3-2

滲透力及滲透破壞類型γ

'

=

γ

s

?

γ

w

=

26.8

?

10

=

9.76kN

/

m3因?yàn)閖

<γ'

，所以不會(huì)出現(xiàn)流土。(2)計(jì)算土樣的浮重度38發(fā)生流土?xí)r

i

=i

=0.976

i

=

∴?h

=i

?L

=0.976×25=24.4cm

例題

3-23-2

滲透力及滲透破壞類型39cr如圖所示的試驗(yàn)裝置，水平的圓形截面容器內(nèi)裝有飽和的黏土和粉土兩種土樣，它們的長度分別為L1

=20cm、L2

=40cm

，滲透系數(shù)分別為k1

=1.0×10-7

cm/s、k2

=2.0×10-6

cm/s。水經(jīng)過土樣滲流時(shí)，盛水容器A、B內(nèi)水面保持不變，容器A和B的水頭高度分別為h1=100cm和h2=56cm

，滲流過土樣后水頭損失為Δh

=44cm。γw

取10.0kN/m3

，試問： (1)若在兩種土樣分界面處放一測(cè)壓管C

，則C管內(nèi)水面在基準(zhǔn)面0-0以上的高度h

為多少？(2)作用在黏土試樣和粉土試樣上的滲透力分別為多少？

例題

3-33-2

滲透力及滲透破壞類型40

例題

3-33-2

滲透力及滲透破壞類型4112假設(shè)流出黏土試樣的水量為q1

，流入粉土試樣的水量為q2

，根據(jù)黏土和粉土試樣交界面處滲流的連續(xù)性條件，有q1=

q2根據(jù)達(dá)西定理，q

=

kiA

=