土力学第3章.

第3章土的渗透性第三章土的渗透性第三章作业3－83－93－103－11§3.1概述§3.2土的渗透理论§3.3渗透力及渗透破坏类型§3.4有效应力原理第三章土的渗透性：内容第三章3.1概述碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等流体在土孔隙或其它透水性介质（如土工建筑物）中的流动现象渗透性土体等多孔介质具有被水、气等流体透过的性质渗透特性应力、变形、强度和稳定非饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差土颗粒土中水渗流第三章3.1概述渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流第三章3.1概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流第三章3.1概述渗流量透水层不透水层天然水面Q水井渗流第三章3.1概述降雨入渗引起的滑坡渗流问题：渗透力？入渗过程？§3.1概述§3.2土的渗透理论§3.3渗透力及渗透破坏类型§3.4有效应力原理第三章3.2土的渗透理论1.水力梯度或水力坡降第三章3.2土的渗透理论gvuzhw22水头（总能量）：z：位置水头（基准面高程）u/γw：压力水头v2/(2g)：流速水头≈0wuzh测管水头：ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面1.水力梯度或水力坡降第三章3.2土的渗透理论ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面wAA1uzhwBB2uzh12hhhLhiA点总水头B点总水头水力坡降水头差层流：相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流状态紊流：相邻两个水分子运动的轨迹互相混交，呈不规则运动2.达西定律第三章3.2土的渗透理论达西渗透试验装置试验条件：层流;恒定流试验结果Δh=h1-h2q=V/t1856年，Darcy对均匀的砂土进行了一维渗透试验，得出了层流条件下，土中渗透速度与能量（水头）损失之间关系的渗透规律，即达西定律。Δh↑,q↑A↑，q↑L↑，q↓LhAqAqvLhiiv第三章3.2土的渗透理论LhkkiAqv达西定律：k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数；物理意义：为水力梯度i=1时的渗流速度；单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day。q:单位时间的渗水量，cm3/s；v:断面平均渗流速度，cm/s；在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度;vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度。q＝vA＝vrArAr=nAnvnAvAvr2.达西定律第三章3.2土的渗透理论LhkkiAqv适用条件：岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围；在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律；可用雷诺数Re进行判断。10evdRRe＜5时层流；Re＞200时紊流；200＞Re＞5时为过渡区。第三章3.2土的渗透理论常水头试验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。室内试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验3.测定方法结果整理试验条件:Δh，A，L=const量测变量:Q，ti=Δh/LQ=qt=vAtv=kihtAQLk野外试验测定方法第三章3.2土的渗透理论变水头试验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。结果整理试验条件:a，A，L=const量测变量:Δh，tt时刻：hdtdhdQi=-adhdQo=kiAdt=k(h/L)AdtdQi=dQo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(h/L)AdthdhkAaLdt2112ln)(hhttAaLkhdhkAaLdthhtt21212112lg)(3.2hhttAaLk第三章3.2土的渗透理论野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数地下水位≈测压管水面井单位渗水量qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2)(ln212212hhkrrq212212)/ln(hhrrqk缺点：费用较高，耗时较长假定水流是水平流向；假设过水断面上各处水力梯度为常数。21212hhrrhdhkrdrq212212)/lg(3.2hhrrqk第三章3.2土的渗透理论4.影响渗透系数的因素（1）土的粒度成分细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。（2）土的密实度（4）水的温度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。（3）土的饱和度2020TTkkT、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表饱和度愈低，渗透系数愈小。原因：土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。（5）土的结构和构造第三章3.2土的渗透理论5.成层土的等效渗透系数（1）水平渗透系数H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和niixnxxxxqqqqq121iHkqxx达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整个土层与层面平行的等效渗透系数平均渗透系数niiixHkHk11niiii...21第三章3.2土的渗透理论（2）垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量nyyyyqqqq21垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为iAikAikAikiAknny2211总水头损失等于各层水头损失之和nniHiHiHHi2211代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整个土层与层面垂直的等效渗透系数nnykHkHkHHk2211第三章3.2土的渗透理论算例说明daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hk1k2k3xz由较小值控制第三章3.2土的渗透理论层状地基的等效渗透系数水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公式LhiiHHqqiii;;......;,121kHHiHkqxiixHkH1kiiHHhhvvv;;...21...,...;,2121kkHHHhkikvzziizkHHk§3.1概述§3.2土的渗透理论§3.3渗透力及渗透破坏类型§3.4有效应力原理第三章3.3渗透力及渗透破坏类型1、渗透力（Seepageforce）wFhA渗流作用于土骨架单位体积上的力（单位体积渗流力）为wwhAJjiVAL土颗粒对水流的阻力为总渗透力为渗透水流作用在土颗粒上的力，大小为wJFhA●大小：；●方向：与渗流方向一致；●作用点：土骨架重心。（4-18）第三章3.3渗透力及渗透破坏类型第三章3.3渗透力及渗透破坏类型2.渗透破坏类型土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型。基本类型：流土管涌单一土层渗透变形的两种基本型式接触流土接触冲刷成层土中渗透变形的两种基本型式第三章3.3渗透力及渗透破坏类型2.渗透破坏类型（1）流砂或流土在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重度，致使土粒间的有效应力为零，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂(sandboiling)或流土(soilboiling)。第三章3.3渗透力及渗透破坏类型2.渗透破坏类型（1）流砂或流土粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流流沙或流土多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中，主要发生在渗流出口处。第三章3.3渗透力及渗透破坏类型土的临界水力梯度当竖向渗流力等于土体的有效重量时，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。11swwGjie'1satcrwwiiicr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态iicr:土体发生流土破坏第三章3.3渗透力及渗透破坏类型（2）管涌坝体原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。渗流在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失第三章3.3渗透力及渗透破坏类型（2）管涌第三章3.3渗透力及渗透破坏类型管涌可能性的判别土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件几何条件：发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径水力条件：渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。第三章3.3渗透力及渗透破坏类型流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口第三章3.3渗透力及渗透破坏类型（3）接触流失在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中，当渗流垂直于层面运动时，将细粒层（渗透系数小）的细颗粒带入粗颗粒层（渗透系数较大层）的现象称为接触流失，包括接触管涌和接触流土。（4）接触冲涮渗流沿着两种不同粒径组成的土层层面发生带走细颗粒的现象。第三章3.3渗透力及渗透破坏类型scrFiii增大[i]：下游增加透水盖重防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：在渗流溢出部位设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降防治措施第三章3.4有效应力原理§3.1概述§3.2土的渗透理论§3.3渗透力及渗透破坏类型§3.4有效应力原理土＝孔隙水固体颗粒骨架+三相体系对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？孔隙气体+总应力总应力由土骨架和孔隙流体共同承受它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何影响？受外荷载作用Terzaghi（1925）有效应力原理固结理论土力学成为独立的学科孔隙流体第三章3.4有效应力原理1.饱和土中的应力形态aaAA：Aw：As：土单元的断面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积a-a断面通过土颗粒的接触点有效应力σ’1AAw'uwsvAuPAa-a断面竖向力平衡：wSAAAuAAAPwsvu：孔隙水压力第三章3.4有效应力原理2.饱和土的有效应力原理u'（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’和u，并且（2）土的变形与强度都只取决于有效应力u一般地，u000u000u'''zzyzxyzyyxxzxyxzzyzxyzyyxzxxyx有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定通常,u'第三章3.4有效应力原理第三章3.4有效应力原理3.静水条件下孔隙水压力和有效应力211hhsat2huw1122112sat