ch3.土的渗透性及渗流

上页下页首页目录退出第3章土的渗透性及渗流上页下页首页目录退出1、土的渗透性与渗流与伯努力方程（1）渗透及渗透性渗透：在饱和土体中，自由水在水位（头）差作用下，在孔隙通道中流动的现象。渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。（2）伯努力方程3.1概述gvphhwz22水总是从能量高处向能量低处流动上页下页首页目录退出2.中水的渗流对土的工程问题的影响在岩土工程中水的渗流主要会引起两类问题：（1）流量与渗流速度的问题水利工程中土木工程中（2）稳定性问题渗透稳定性：（渗透变形、渗透破坏）是指渗透水对土骨架的渗透力的作用下，土粒间可以发生相对运动甚至整体运动，从而造成土体或建造于其上的建筑物失稳。在基坑开挖支护工程中，很多事故都与土中水的渗流与渗透破坏有关，此外，土中水的渗流也会引起土坡的抗滑稳定性。3.1概述上页下页首页目录退出水井渗流渗流量透水层不透水层天然水面Q上页下页首页目录退出渠道渗流渗流量原地下水位渗流时地下水位上页下页首页目录退出渗流滑坡渗流滑坡上页下页首页目录退出板桩围护下的基坑渗流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上页下页首页目录退出土石坝坝基坝身渗流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上页下页首页目录退出本章研究内容相互关联相互影响土的强度土的变形土的渗流渗透性研究的三个方面渗流量问题渗透破坏问题渗流控制问题上页下页首页目录退出3.2.1一维渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律令i=h/L=tga，称为水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失则有：结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比，k称为渗透系数，它表示土的渗透能力，k值越大则表明土的渗透性越强。3.2达西定律LAh1h2QQ透水石hALhkQAQqvkiv上页下页首页目录退出3.2.2关于土中水的渗流速度三种渗流速度出逸速度：土试样横断面面积除流量，也就是等截面积水管段流速。为表观流速。可表示为：渗透流速：水在土体中沿水流方向的平均流速，可表示为:实际流速：受孔隙的随机性和不规则性影响，土中真正的流速。无表示式。注：渗透流速与实际流速的工程意义不大，实际问题分析中仍用出逸流速。3.2达西定律AQvsnvvsv上页下页首页目录退出3.2.3达西定律的适用范围11、它建立在均匀砂土的试验基础上的，大量试验结果表明，在一般工程情况的水力坡降情况下，对于绝大多数土类，它都是适用的。2、流体力学研究结果表明：当水力坡降超过一定值时，这种线性关系不再成立，有以下两种情形：对于渗透性很大的粗粒土，水力坡降超过一定值时可用下式表示：其中：m1.0，在均匀的卵石或堆石中会变成紊流。3.2达西定律mikv1上页下页首页目录退出3.2.3达西定律的适用范围2对于渗透性很低的粘性土，当水力坡降较小时，v与i也不是线性关系，可用下式表示：其中：n1.0。当水力坡降增加到一定程度时，二者接近线性关系。可以表示为：nikv1)(02iikv3.2达西定律上页下页首页目录退出讨论砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系粗粒土：i小、大水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系i大、大水流为紊流，渗透规律不符合达西定律，-i为非线性关系上页下页首页目录退出3.3.1渗透系数的影响因素11、孔隙比当一定时，孔隙比越大，单位面积上的过水面积越大，出逸速度越大。当e增大时，也增大。同一种砂土中，k约与e2或成正比。但对于粘性土和粉土，则不成立。2、颗粒的尺寸及级配细粒含量愈多，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。3.3土的渗透系数ssveenvv1svsv221ee上页下页首页目录退出3、土的饱和度土的饱和度愈低，渗透系数愈小。因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。4、温度渗透系数k实际上反映流体经由土的孔隙通道时与土颗粒间摩擦力或粘滞性。而流体的粘滞性与其温度有关。试验测得的渗透系数kT需经温度修正（P36,表3-1）水温愈高，水的动力粘滞系数愈小土的渗透系数则愈大。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表3.3.1渗透系数的影响因素22020TTkk3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出3.3.1渗透系数的影响因素35、颗粒的矿物成分矿物的颗粒成分往往影响颗粒的尺寸、形状、排列及结合水膜的薄厚。粘土矿物的种类对渗透系数的影响也很大。同样e的情况下，粘土矿物的渗透性:高岭石伊利石蒙脱石6、土的结构天然沉积土的分层特性，其渗透性是各向异性的，常使得k水平﹥k垂直。风化粘土与裂隙粘土其渗透性取决于宏观的裂隙，而不是孔隙。具有凝聚结构的粘性土，其团粒间的孔隙会使渗透系数很大3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出3.3.2不同土渗透系数的范围1、P37，表3-2.2、卡萨哥兰德三界限值K=1.0cm/s为土中渗流的层流与紊流的界限；K=10-4cm/s为排水良好与排水不良的界限，也是对应于发生管涌的敏感范围；K=10-4cm/s大体上为土的渗透系数的下限。3、在孔隙比相同的情况下，粘性土的渗透系数一般远小于非性土。3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出3.3.3确定土的渗透系数的试验11、室内试验适用性取决于①取得试样的代表性；②室内试验量测的重要性；③现场综合条件的模拟。室内试验包括常水头试验与变水头试验。3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出3.3.3确定土的渗透系数的试验2常水头试验①适用于粗粒土（k10-3cm/s）；②整个试验过程中水头保持不变；3.3土的渗透系数AhtQLkT上页下页首页目录退出3.3.3确定土的渗透系数的试验3-变水头试验截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－adh在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt分离变量积分2112lnhhttAaLk＝2112lg3.2hhttAaLk＝适用于透水性差，渗透系数小的粘性土3.3土的渗透系数整个试验过程水头随时间变化上页下页首页目录退出2、现场测定渗透系数常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确观测孔r2rr1drdhh1hh2Qr处过水断面积为A=2πrh,假设该处水力梯度i为常数，且等于地下水位在该处的坡度时，则i=dh/drq=kAi=2πrhkdh/drqdr/r=2πkhdh分离变量积分212212)/ln(hhrrQk＝212212)/lg(3.2hhrrQk＝现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等3.3土的渗透系数3.3.3确定土的渗透系数的试验4上页下页首页目录退出3.3.3确定土的渗透系数的试验51、水平渗流hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:iiHHkHk1kx已知条件:LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出3.3.3确定土的渗透系数的试验62、竖直渗流iiVkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvviihhiHHvi=ki(Δhi/Hi)iiiikHvhzkvHhiizkHvkvHiihh已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh/H)等效渗透系数:3.3土的渗透系数上页下页首页目录退出小结水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数•总水头=位置水头+压力水头•水头是渗流的驱动力•达西定律•渗透系数、渗透速度•达西定律的适用条件•常水头试验•变水头试验•渗透系数影响因素•水平等效渗透系数•垂直等效渗透系数上页下页首页目录退出1.有效应力原理1（1）土粒受力分析（1）几个概念：有效应力（effectivestress）是由颗粒间接触点传递的应力，会使土的颗粒产生位移，引起土体的变形和强度的变化的应力，用σ′表示。孔隙水压力（porewaterpressure）由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体的变形和强度变化，又称为中性压力，不随时间而变化，用u表示。超静孔隙水压力（excessporewaterpressure）由外荷引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。它在固结过程中不断变化，固结终了时应等于零，用△u表示3.4饱和土中的应力和有效应力原理上页下页首页目录退出1.有效应力原理22、有效应力原理作用于饱和土体内某截面上总的正应力σ由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，另一部分为有效应力σ’，饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：上式即为太沙基提出的饱和土体有效应力原理。它是研究土体固结和强度的重要理论基础。u,3.4饱和土中的应力和有效应力原理上页下页首页目录退出1.有效应力原理33、饱和土体有效应力原理的要点1．饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；2．土的变形（压缩）与强度的变化都仅取决于有效应力的变化。3.有效应力表示为σ’=P’/A，并不是颗粒间的真正应力P’/Ac，因而σ’只是一个表象的、虚拟的应力。3.4饱和土中的应力和有效应力原理上页下页首页目录退出2、饱和土体中力的平衡条件1（1）取（土骨架+孔隙水）作隔离体：自重：上部水压力：下部水压力：下部纱网对土样的支持力：R，则：也可以利用有效应力原理得到：总应力：孔隙水压力：有效应力：LAR'AhPw11AhPw22LAR'RPWP211hLwsat)(12hLhuwwLu''3.4饱和土中的应力和有效应力原理上页下页首页目录退出2、饱和土体中力的平衡条件2（2）取土的骨架作为隔离体：土粒自重：水对土的浮力：则：wsssdVWwsVLAdnVWRwswss)1)(1(LAR'3.4饱和土中的应力和有效应力原理上页下页首页目录退出3.5.1渗透力试验观察3.5渗透力和渗透变形h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab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上页下页首页目录退出土体自重：上、下部水压力：则有：其中：代入：土体受力分析)'(wsatLALAWP2WP1RA11AhPw22AhPw)()'()'(122121hhALAAhAhLAPPWRHLhh12JWLAiLAiLALHLAHLALAR'')'()'()()'(：水中土骨架的自重：渗透作用力'WJ3.5渗透力和渗透变形上页下页首页目录退出向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗流的拖曳力ALR'wLAiLAR'wLAiJwiVJj静水中的土体：渗流中的土体：总渗透力：渗透力：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方向：与水渗流方向一致3.5渗透力和渗透变形上页下页首页目录退出3.5.2流土及其临界水力坡降当h逐渐增大，土体中的渗流力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗流力克服了向下的重力时（R=0），土体就要发生浮起或受到破坏。这种现象叫做流砂或者流土现象。这种在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零，土开始发生流砂现象时的水力坡降称为临界水力坡降icr。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RAwcrwcriLAiLAR'0'上页下页首页目录