土的渗透性及渗透力

13土的渗透性及渗透力2目录3.1土的渗透性及渗透定理3.3渗透力及渗透破坏3.4有效应力原理及计算3.2渗透系数的测定33.1土的渗透性及渗透定理3.1.1土的渗透性——土可以被水透过的性质称为渗透性。渗流滑坡43.1.2土的渗透定理层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。渗透模型5层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律－－达西定律（1896年）kiLhkAqvkAiLhkAq则渗透系数的物理意义——单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定。达西定律大量试验结果，发现土中单位时间渗流量q与土样断面积A及试样两端面的水头差i成正比，而与流过的土样长度L成反比，即6（1）采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流速。实际流速要比平均流速大。（2）采用了以土样长度为渗径的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正水力梯度。无粘性土中砂、细砂、粉砂粘土适用条件：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土起始水力梯度达西定律的基本假定：73.2渗透系数的测定3.2.1室内渗透试验1.常水头试验适用范围：透水性强的无粘性土试验装置：如图示试验特点：水在常水头差h的作用下流过试样试验方法：测量对应于某一时段t，流经试样的水量Qi=h/LQ=vAtv=kiAhtQLk81.变水头试验适用范围：渗透性很小的粘性土。试验装置：如图示试验特点：试样顶部水头随时间变化，作用于试样两端的水头差h在试验过程中是变化的。21lnhhAtaLk自学推导过程93.2.2现场渗透试验（抽水试验和注水试验）A=2πrhi=dh/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2)(ln212212hhkrrq212212)/ln(hhrrqk优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层（完整井）观察井10定义：当土中发生向下或向上的渗流时，渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相同的体积力，使土骨架应力相应地增加或减小，此体积力称为渗流力，用J表示。渗流变形渗流力3.3渗透力及渗透破坏3.3.1渗流力（动水力）111.试验装置：可产生垂直渗流的试验装置，如图所示。2.试验假设土是均匀的，土中的渗流不论向上还是向下，土中的水头损失沿渗流方向都是均匀变化的，即假设渗流引起的应力改变量沿渗流方向是直线变化的。在稳定渗流情况下，饱和土体中的土骨架应力和孔隙水应力与静水条件中的不同土的渗流试验简图12单位渗流力：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,用j表示，单位为kN/m3当h1=h2时，无渗流发生当h1h2时，向上渗流当h1h2时，向下渗流zjziLzhLwwB)'()'()'('ijw单位渗流力：饱和土体中渗流力计算133.3.2渗透破坏－－土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏基本类型流土管涌形成条件防治措施14（1）流土（流砂）－－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和土的密实程度有关———eGiscr11粘性土k1k2砂性土k2坝体体渗流原因：zj)'('''ijw或15形成条件scrFiiiFs:安全系数2.0～2.5[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经验判断：16（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。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—渗流力足够大管涌管涌破坏17过渡型土—管涌土非管涌土级配连续的土过渡型土—细料含量管涌土细料含量非管涌土细料含量级配不连续的土的不均匀土非管涌土的比较均匀的土(b)35%255%235%(a)10B.10.5305030ddDdDdDCCAuu无粘性土发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：200250d.D土的孔隙平均直径d20——小于该粒径的土质量占总质量的20%18发生管涌的水力条件——外因试验测定方法：改变试样底部的水头高度。现象:试样中细小土粒移动。b图中：从C点开始，水力梯度稍有增加，渗流速度就会急剧加大，说明试样中发生了管涌。水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.2—0.40.1—0.3允许坡降[i]0.15—0.250.1—0.21920防治措施scrFiiLhi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，反滤层为级配较均匀的砂子和砾石层，能保护细颗粒不被带走，同时也具有较大的透水性改善水力条件：减小渗透坡降21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223.4有效应力原理及计算粒间应力（interparticlestress）——由土骨架颗粒间接触点传递的应力。有效应力（effectivestress）——对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。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，又称为中性应力。它不随时间而变化。超静孔隙水压力（excessporewaterpressure）——由外荷载引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。3.4.1有效应力的基本概念233.4.2有效应力原理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有效应力σ’aaAa-a断面通过土颗粒的接触点u：孔隙水压力a1AAwu'wsvAuPAa-a断面竖向力平衡：wSAAAuAAAPwsvPSPSVPS1、饱和土中的应力形状24u'（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，有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定通常,u'2、饱和土中的有效应力原理253.4.3稳定渗流下的土中有效应力的计算1、静水条件下σ’=σ-u=γH1+γsatH2-γwH2=γH1+(γsat-γw)H2=γH1+γ’H2sat地下水位2sat1HH地下水位下降引起σ’增大的部分H1H2σ’=σ-uu=γwH2u=γwH2地下水位下降会引起σ’增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。26海洋土σ’=σ-u=γwH1+γsatH2-γwH=γsatH2-γw(H-H1)=(γsat-γw)H2=γ’H21HH2H2sat1wHHHwγwH1γwH12Hsat27毛细饱和区sat毛细饱和区HwhchthtsathHwwtsathhHwwhcwhcwhH总应力孔隙水压力有效应力＝－+-282、稳定渗流条件下（1）水自下而上渗流hhLhhLhuhuhhhuLhLhbb'01101210')('')(':面（当h2h1时，h2=h1+h，即向上渗流）29（2）水自上而下渗流（当h2＜h1时，h2=h1-h，即向下渗流）hhLhhLhuhuhhhuLhLhbb'01101210')('')('面：30结论：土中发生向上的渗流时，由于孔隙水向上渗流，并且作用在土颗粒上一个向上的体积力，使得土骨架应力降低，而该体积力反作用于孔隙水上，使孔隙水应力增加，增加和减小的数值相等，均为γwh。31有效应力原理基本概念饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算土的渗透渗透定理（达西定律）渗透力计算渗透变形类型、形成条件、防止措施小结32