第4章土的渗透性

第四章土的渗透性及渗流问题§4.1土的渗透性和渗透定律§4.2渗流力与渗流稳定分析§4.3二维渗流与流网土颗粒土中水渗流水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性透水层不透水层土石坝工程中的渗流问题防渗体坝体浸润线渗流量？渗透破坏？渗流破坏类型？渗透力？基坑工程中的渗流问题渗流量？渗透破坏？渗水压力？透水层不透水层围护墙渗流中的水头与水力坡降渗流试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数第一节土的渗透性和渗透定律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渗流中的水头与水力坡降•B点总水头：•二点总水头差：代表单位重量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而损失的能量•水力梯度i：单位渗流长度上的水头损失•A点总水头：ABhhhAAAwuhZBBBwuhZhiL总水头：代表A点和B点单位重量水体所具有的能量渗流中的水头与水力坡降1856年法国工程师达西(Darcy)进行了渗流试验LhAQ或：其中，A是试样的断面积渗流试验与达西定律kAiQQvkiA达西定律：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。描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度与水力坡降成线性关系只适用于层流范围。渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度。其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速svvvnv渗流试验与达西定律适用条件：达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度与水力坡降成线性关系只适用于层流范围。在水利工程中，绝大多数渗流，无论是发生于砂土中或一般的粘性土中，均属于层流范围，故达西定律均可适用。渗流试验与达西定律在纯砾以上的很粗的土中渗流，如堆石体中的渗流，且水力坡降较大时，流态为紊流，达西定律不再适用，此时：两种特例对黏性很强的致密的粘性土，存在起始水力坡降i0)1(mkivm)(0iikv•常水头试验法•变水头试验法•井孔抽水试验•井孔注水试验室内试验方法野外试验方法经验估算法渗流系数的测定与影响因素（1）常水头试验试验条件：h，L，A量测变量：体积v，tV=Qt=vAtV=kihiLVLkAht适用土类：透水性较大的砂性土1.室内实验法AQAQat=t1t=t2（2）变水头试验试验条件：h的变化，A，a，L量测变量：h，t适用土类：透水性较小的粘性土在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选择几组量测结果，计算相应的k，取平均值12lnaLhkAthh1h2h1tt2ttAQ2.现场测定法－抽水试验试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长建议者建议公式符号说明适用条件泰勒（Tayler,D.W）d50：土颗粒平均粒径，mm；μ：水的粘滞系数，g.s/cm2；e：土的孔隙比；C：颗粒形状系数。砂性土哈臣（Hazen）CH：哈臣常数，50～150；T：水温，；d10：土的有效粒径，mm。上式适用于中等密实砂，下式适于土的有效粒径0.1~3mm，Cu5时的松砂。太沙基（Tazaghi）d10：土的有效粒径，mm；e：土的孔隙比。砂性土25031deeCkw210)03.07.0(dTCkH210100dk22102edkC3.经验估算法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。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式。土的性质渗透系数的影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构土的性质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；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低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粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构土的性质影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，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粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构土的性质含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：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水的性质等效渗透系数•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层状地基的等效渗流系数hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:iixHkHk1kx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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:第二节渗流力与渗透稳定分析渗流力流土与临界水力坡降管涌渗流破坏与防治Δh=0静水中，土骨架只会受到浮力作用。Δh0水头差使水在流动时，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：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，方向与渗流方向一致渗流力截面积A=1h200hwL土样滤网贮水器ab渗透力-受力分析WW=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whwR=L土水整体受力分析-静水截面积A=1WW=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whwR=L-wh土水整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abR=L-wh土水整体受力分析-对比h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab•静水中的土体•渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=wh/L=wi渗流力水平渗流力•隔离体左侧水压力Ahγw1•隔离体右侧水压力Ahγw2JAhγAhγww21ΔhAγAhhγJw）21w（•单位土体内土颗粒所受的渗流作用力iγjw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：土骨架渗流力的性质几点说明1）分析渗流力时，由于渗流力与土骨架对渗透水流的阻力是作用力与反作用力的关系，所以必须把土骨架与水分开来取隔离。2）渗流力是由于作用在土颗粒上沿渗流方向的渗流水压力不等造成的，所以它与浮力一样，客观上表现为体积力，其方向与渗流方向一致。3）如果渗流力方向与重力方向一致，渗流力促使土体压密、强度提高，对稳定起着有力的作用；如果渗流力方向与重力近乎正交，使土体有向下游方向移动的趋势，对稳定就是不利的；4）如果渗流力与重力方向正好相反，此时对稳定是最不利的，特别是当向上的渗流力大于土体有效重量时，土粒将被水流冲出，如不及时加以防治，将会引起整个建筑物的失事。流土与临界水力坡降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：•管涌•流土•接触流土•接触冲刷单一土层渗透变形的两种基本型式向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力梯度icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：R=L-wh=0临界水力梯度h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=h/L=/wicr取决于土的物理性质e11Gws)(e11Giscr由于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。criie11Giscr原因：与土的密实度有关多发生在颗粒级配均匀的饱和细粉砂和粉土层中，在黏性土和非黏性土中均可以发生。黏性土发生流土破坏的外观表现为：土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无黏性土发生流土破坏的外观表现为：泉眼（群）、砂沸、整块土体翻滚直至被渗流水抬起等。scrFiiiFs:安全系数1.5~2.0[i]:允许梯度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工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透梯度大于临界水力梯度这一水力条件，均要发生流土：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管涌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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管涌可能性的判别较均匀土（Cu10）•几何条件•水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d0=0.25d20细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d0d3d0d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土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•几何条件•水力条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力梯度表示051015202530351.51.00.50icrCu流土过渡管涌水力梯度级配连续土级配不连续土破坏梯度icr0.20-0.400.1-0.3允许梯度[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）Cu20时,icr=0.25-0.30，考虑安全系数后：[i]=0.10-0.15透水层不透水层防渗体坝体浸润线scrFiii减小i：上游延长渗径下游减小水压增大[i]：下游增加透水盖重•改善几何条