土的渗透性与渗流第三章.

土的渗透性和渗流问题第三章多孔介质渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述土颗粒土中水渗流3坝身坝基中的渗流板桩维护下的基坑渗流沟渠渗流水井渗流图1渗流示意图41.渗流量问题:基坑开挖或施工围堰的渗水及排水量计算、土坝渗水量计算、水井供水量或排水量计算等。2.渗透破坏问题:土中渗流会对土颗粒施加渗透力，当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如滑坡、溃坝、地下水开采引起地面下沉。3.渗流控制问题：当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。土的渗透性研究主要包括以下三个方面：渗流量渗透破坏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渗流控制三方面的问题6土的渗透变形:流土、管涌、接触冲刷、接触流失1、流土：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象2、管涌：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3、接触冲刷：当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面，或建筑物与地基的接触面流动时，沿接触面带走细颗粒的现象4、接触流失：在层次分明，渗透系数相差悬殊的两土层中,当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象.7渗流引起的工程问题：（1）渗流问题渗流问题是研究土中水的渗透量和渗透速度。（2）渗流破坏问题渗流破坏问题是研究渗透对土体的稳定性的影响。水在土孔隙中渗流，会对土骨架产生渗透力，引起土体内部应力状态的改变，使土体的结构的原有稳定条件发生变化，从而影响建筑物及其他地基的稳定性。8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9渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q10ABL透水层不透水层基坑板桩墙一．渗流中的水头与水力坡降11ABL一．渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAu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：测管水头二.渗透试验与达西定律试验前提：层流断面平均流速水力坡降AQvLhi1.渗透试验试验结果试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，V，TΔh=h1-h2Q13h土样h1h2压力水头线加水滤网L图3.2达西渗透试验示意图2.达西定律vki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注意：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k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day152.达西定律适用条件：层流（线性流）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。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可用雷诺数Re进行判断：Re＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区10evdR162.达西定律（1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0两种特例：（2）粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0)(1)mvkim三.渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法野外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1.测定方法18•室内试验方法1—常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk适用土类：透水性较大的砂性土•室内试验方法1—常水头试验法19•室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:Δh变化，A，L=const量测变量:Δh，t土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a适用：透水性较小的粘性土20•室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21th0haLdhdkAh21hhlnkAaLt21hhlnAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt21例:用粘性土试样做变水头试验,已知试样的截面积为30cm2,厚度为4cm,渗透仪细玻璃管内径为0.4cm,试验开始时水位差为145cm,经时段7min25s后观察到水位差为130cm,试验的水温为20℃,试求试样的渗透系数.•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2.影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构kf(土粒特性、流体特性）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数242.影响因素粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。25饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道（2）流体特性的影响四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状27H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:ihiiLxixqqmHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHixii1kkHH28H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:ivvihhiHH等效渗透系数:iiivHhkzkvHhizivHvHkkziiHkHkiziH11kHkiiiihvkH算例day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiixday/m03.0kHHkiiz30§3.3渗透力与渗透变形一.渗透力1、试验观察渗透变形渗透力二.渗透变形（渗透破坏）2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水隔离分析31一.渗透力1、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。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。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab32h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流j2、物理本质33h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+γw)P1=γwhwP2=γwh2R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhwR=γL土水整体分析3、计算方法34h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+γw)P1=γwhwP2=γwh1R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhwR=γL－γwΔhR=γL渗流中的土体土水整体分析35h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R=γL－γwΔhR=γL渗流中的土体水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwi土水整体分析36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，它是体积力j=γwi大小：方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架37例:某场地土层上部为9米厚粘土层,其饱和重度为,下面为砂土层,砂土层含承压水,其水头高出该层顶面7.5米.今在粘土层内挖一深6米的基坑,为使坑底土不至于因渗流而破坏,问坑内水深不得小于多少?320kNm7.5米6米9米38基本类型二.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39粘性土k1k2砂性土k2坝体1.基本类型流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW11scrdie——和土的密实程度有关渗流原因：402.形成条件scrFiiiFs:安全系数1.5～2.0[i]:允许坡降iicr:i=icr:iicr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：无压重时：41管涌原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因——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。管涌管涌破坏42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433.防治措施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：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降44§3.4平面渗流与流网zxzqxqxxqqdxxzzqqdzzΔhΔh恒定稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)对单宽dy=1，取一微小单元dx,dz与时间无关xz45zxzqxqxxqqdxxzzqqdzz0xzqqdxdzxz连续性条件exzdqqdzqdx()()xzoxzqqdqqdxdzqdzdxxzoedqdq一.平面渗流的基本方程及求解1.基本方程水头描述460xzvvdxdzxzzhkv;xhkvzzxx连续性条件达西定律0zhxh22220zhkxhk22z22xLaplace方程描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式之一假定kx=kz22220xz一.平面渗流的基本方程及求解