第二章土的渗透性及渗流.

第二章土的渗透性及渗流主要内容2.1土的渗透性及举例2.2土的水理性质2.3地下水的运动方式和判别2.4达西定律及其适应范围2.5渗透系数的测定2.6二维渗流及流网应用2.7渗透力、潜蚀和流沙的危害及防治2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力2.1土的渗透性及举例由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水透过土体孔隙的现象就叫做渗透（渗流）。土具有被水等液体透过的性质叫渗透性。土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。浸润线透水层不透水层渗流量渗透变形土石坝坝基坝身渗流透水层不透水层板桩墙基坑板桩围护下的基坑渗流渗流量渗透变形渗流量渗流时地下水位渠道渗流透水层不透水层天然水面水井渗流Q渗流滑坡土的水理性质：土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。这里主要讨论以下的两方面问题：土的毛细水性质土的冻胀2.2土的水理性质土的毛细水性质土的毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象。土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性。土的毛细性对工程的影响：毛细水上升是引起路基冻害的因素之一对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农业经济都有很大的影响土的冻胀地下水位较高处的粉砂、粉土、粉影响冻胀的因素有下列三个方面：（1）土的因素；（2）水的因素；（3）温度的因素上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。其结论是：在持续负温作用下，质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。主要措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深度（可查有关规范）以下，以防止冻害的影响。2.3地下水的运动方式和判别地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水总是处在运动状态之中。地下水的运动方式的分类：①按流线形态：层流、湍流②按水流特征随时间的变化状况分为：稳定流运动、非稳流运动③按水流在空间上的分布状况分为：一维流动、二维流动、三维流动地下水运动的基本方式雷诺（英国）1883年得出了划分层流与湍流的定量界限，称雷诺数。圆管中水的流动雷诺数：式中：v为圆管水流的速度，cm/s；d为圆管的直径，cm；s为水的运动粘滞系数，也称斯托克斯系数，1ST=1cm2/s。当温度T=0摄氏度时，；当温度T=30摄氏度时，根据计算结果当Re(2000~2300)时属层流；当Re（2000~2300）时属湍流。地下水运动方式的判别—雷诺数sdRescms/1079.122scms/1001.822式中，z为位置水头；压力水头；为流速水头，流速水头近似等于0。水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。1、各种水头概念及水力坡降水头(waterhead)：单位重量水体所具有的能量。渗流中一点的总水头h可用下式表示gvuzhw2γ2几个重要的概念wug22wuzh上式可写为ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面wAA1uzhwBB2uzhhhh21wuzhLhiA点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：渗流流过单位长度时的水头损失。水力坡降的物理意义注意：土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差，若hA≠hB时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动（但水并非一定向低处流）。2、管内水流动的两种形式（1）流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为层流。（2）若水流动时，相邻的两个质点流线相交，流动时将出现漩涡，这种流动称为湍流。土体中水的流速很小可看作为层流。2.4达西定律及其适用范围达西（H.Darcy），1803～1858，法国水力工程师。1856年，达西发表了著名的多孔介质地下水运动或流动的报告，报道了他所做的关于水在沙柱中流动的实验。达西发现通过沙柱的流量与所用砂的透水性和观测点的水头有关，该关系的数学表达式即为达西定律。可以说，达西的发现首次从数量上揭示了多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关系，使多孔介质中地下水流计算成为可能。现代地下水流计算中，几乎所有的经典计算方法和计算模型，都是直接或间接地由达西定律推倒而得来。所以可以毫不夸张地说，达西是水文地质学的奠基人之一，他的实验成果开创了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学——地下水动力学。一、达西渗透定律由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的达西(Darcy)渗透定律，渗透速度：或渗流量为：hvkkiLkiAvAq式中：v--水在土中的渗透速度，cm/s。它不是地下水的实际流速，而是在单位时间（sec）内流过单位土截面（cm2）的水量（cm3），是土体断面的平均渗透速度；i--水力梯度，即土中两点的水头差(如下图，为H1-H2)与两点间的流线长度（L）之比；k--土的渗透系数，cm/s，与土的渗透性质有关的待定系数。必须指出，由式（2-1）求出的渗透速度v是一种假想的平均流速，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速v’要比假想的平均流速大很多。它们之间的关系为：eevnvv1二、达西渗透定律的适用条件只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。达西渗透定律的适用界限可以考虑为：满足达西渗透定律的土的平均粒径:对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。0vdRemmvd52.0Re/粘性土：对于粘性很大的密实粘土，有一起始坡降i0，当ii0时没有渗流发生，如右上图所示。对于i0大多解释为：结合水膜在水力坡降不大的情况下占据了土体内部的过水通道，只有当ii0时，水流挤开结合水膜的堵塞，渗流才能发生，如右下图所示。voi0i粘土颗粒渗流结合水膜)(0iikv三、两种特殊情况砾土（粗颗粒）：只有在水力坡降很小的情况下才能适用；在较大水力梯度下，水在土中的流动进入湍流状态，渗流速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图（c）所示。渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。一、实验室内测定渗透系数可分为：常水头试验和变水头试验（一）常水头法在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于透水性强的无粘性土，土的渗透系数：htAQLk2.5渗透系数的测定AtLhkkiAtvAtQ（二）变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于透水性弱的粘性土，土的渗透系数：2112lnhhttAaLk或2112lg3.2hhttAaLk设细玻璃管的内截面积为a，实验开始后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量adhdQ式中负号表示渗流量随h的减小而增加AdtlhkdQhdhkAaLdt将上式两边积分hdhkAaLdthhtt2121即可得到土的渗透系数2112lnhhttAaLk或2112lg3.2hhttAaLk二、成层土的渗透系数天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。如上图(a)所示与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和，即niixnxxxxqqqqq121根据达西定律，总渗流量又可表示为iHkqxx式中，kx为与层面平行的土层平均渗透系数；i为土层的平均水力梯度。任一土层的渗流量为iiixiHkq将式（b）、（c）代入式（a）得niiixiHkiHk1整个土层与层面平行的平均渗流系数：niiixHkHk11（a）（b）（c）通过整个土层的总渗流量qy应为通过各土层的渗流量，即nyyyyqqqq21设渗流通过任一土层的水头损失为Δhi，水力梯度ii为Δhi/Hi，则通过整个土层的水头总损失h应为，总的平均水力梯度i应为h/H，由达西定律得总渗透量为ihHhkqyy式中，ky为与层面垂直的土层平均渗透系数；A为渗流截面积。通过任一土层的渗流量为AikAHhkqiiiiiiy将（a）、（b）代入（a），消去A可得iiyikHhk整个的水头总损失为niiinnHiHiHiHih12211（a）（b）（c）整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：niiinnykHHkHkHkHHk12211)(2.6二维渗流和流网的特征一、拉普拉斯方程在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可以用拉普拉斯方程来描述。式中：h为渗流的水头或水头差流线可以用流函数来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数满足拉普拉斯方程等势线可以用势函数02222yhxh),(zx02222zx),(zx02222zx就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线垂直交织在一起形成的网格叫流网。二、流网及其特征H△h0H△h002222yhxh对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：流线与等势线彼此正交；每个网格的长宽比为常数；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。H△h0H△h02.7渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治一、渗流压力的概念在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗流压力(seepageforceorseepagepressure)或动水压力，用Gd表示。渗流压力的计算如图所示，A1A2水柱上作用着4个力，即Fhfw11Fhfw22A1A2水柱的自重在流线方向上的分力：cos3LFfw土的颗粒骨架对渗流水阻力：TFLf4根据力的平衡，在A1A2水柱上各力的平衡关系式为0cos21TLFFhLFFh将代入上式LZZ21cos渗流压力是一种体积力，单位是kN/m3。渗流压力的大小和水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。02211TLhZZh02211TLhZZhw212211HHZhZhLHHi21iTwiTGwd基本类型流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。形成条件防治措施二、渗透破坏类型在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、滤液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中直接带走，这种作用叫潜蚀。潜蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处表现为管状涌水并带出细小颗粒，所以潜蚀也称管涌。原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因——渗透力足够大1、潜蚀2、流砂或流土在自下而上的渗流发生时，渗流压力的大小超过土重度，土颗粒完全失重，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流土(soilboiling)。流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称为流沙。地震引起的砂土液化发生流沙的条件当竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。wswdediG11'GdGd浮重度渗流压力