土的渗透性与渗流.

2.1概述2.2土的渗透规律2.3渗透力与渗透变形第二章土的渗透性与渗流水在压力差作用下流过土体孔隙的现象，称为渗流。土体具有的被水渗透通过（透水）的能力称为土的渗透性或透水性。土是一种三相物质组成的多孔介质，其大部分孔隙在空间互相连通。在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中两点存在压力差时，土中水就会从压力较高（即能量较高）的位置向压力较低（即能量较低）的位置流动。2.1概述渗水压力扬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工地基坑塌方现场注：图片来源于互联网渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流7渗流滑坡渗流滑坡位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAuzBwBu基准面静水2.2土的渗透规律水流动的驱动力水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动位置势能：mgzwumg压力势能：00基准面质量m压力u流速vzwu动能：2mv212wmv21umgmgzE总能量：2gvuzh2w称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：水流动的驱动力-水头ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面g2vuzh2wwAA1uzhwBB2uzh12hhhwuzhLhi总水头－单位重量水体所具有的能量z：位置水头u/γw：压力水头,u为孔隙水压力V2/(2g)：流速水头≈0A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：水头差：测管水头一．渗流中的水头与水力坡降二.渗透试验与达西定律试验前提：层流Δh↑，Q↑A↑，Q↑L↑，Q↓LhAQ断面平均流速水力坡降AQvLhiiv1.渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:h1，A（面积），L=const量测变量:V（总水量），T（时间）、h2Δh=h1-h2Q=V/TLAh1h2QQ透水石2.达西定律vkisvvvn渗透定律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。二.渗透试验与达西定律vi注意：AAvvAnAv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度AAvQ＝vA＝vsAvk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day2.2.3渗透系数的测定及影响因素土渗透系数的大小可以综合反映土体渗透性的强弱，常作为判别土层透水性强弱的标准和选择坝体填筑料的依据，确定渗透系数的准确性直接影响渗流计算结果的正确性和渗流控制方案的合理性。测定土的渗透系数的方法有:室内试验测定方法现场试验测定方法：常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验法室内试验方法-常水头试验法试验条件:Δh，A，L=const量测变量:体积V，t适用土类：透水性较大的砂性土i=Δh/LV=Qt=vAtv=kihtAVLkhL土样AVQ室内试验方法-变水头试验法试验条件:Δh变化A，a，L=const量测变量:h，t适用土类：透水性较小的粘性土土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a土样At=t1t=t2h1h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：•入流量：dVe=-adh•出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt•连续性条件：dVe=dVo-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt室内试验方法-变水头试验法21hhAtaLkln选择几组量测结果，计算相应的k，取平均值室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土•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≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ)hh(krrlnQ212212212212hh)r/rln(Qk缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：积分层状地基的等效渗透系数等效渗透系数•确立各层土的ki•根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变3）成层土的等效渗透系数hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层§2.2土的渗流性与渗透规律等效渗透系数:iixHkH1kkx已知条件:LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:层状地基的水平等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数§2.2土的渗流性与渗透规律iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvviihhiHHvi=ki(Δhi/Hi)iiiikHvhzkvHhiiiizkHvhhkvH已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh/H)等效渗透系数:4）影响渗透系数的主要因素（1）土的结构（2）土的构造（3）土的粒度成分（4）土的密实度（5）土的饱和度（6）水的温度渗透力-试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致2.3渗流力与渗透变形渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架基本类型2.3.2渗透变形（渗透破坏）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渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流criie11Giscr原因：与土的密实度有关坝体渗透变形–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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过程演示1.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2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷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注：图片来源于互联网潜江东荆河舒家榨管涌3）防治流土和管涌现象的措施（1）减小水力梯度：①减少或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或采取水下挖掘；②增长渗流路径，如打板桩。（2）设反滤层：使渗透水流有畅通的出路。（3）在渗流逸出处用透水材料覆盖压重以平衡渗流力，使水可以流出而不带走土粒，如蓄水反压。（4）土层加固处理：如冻结法、注浆法等。