3-土的渗透性和渗流力解析

第3章土的渗透性和渗流力碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗透渗透性土具有被水、气等液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能量差水、气等在土体孔隙中流动的现象渗流量渗透变形石坝浸润线透水层不透水层石坝坝基坝身渗流渗透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渗流量渗透变形渗透压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形水头梯度土坡稳定分析§3.2土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降二．渗透试验与达西定律三．渗透系数的测定及影响因素能量方程渗流速度的规律渗透特性四．层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面wAA1uzhwBB2uzhhhh21wuzhLhiz：位置水头A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：二、渗透试验与达西定律试验前提：层流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，L=const量测变量:h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T2.达西定律ikvnvvvs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。iv注意：AAnv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/day粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s适用条件ivovcrivi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm三、渗透系数的测定及影响因素室内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.测定方法野外试验测定方法室内试验方法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对于透水性较小的粘性土，应采用变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt21hhlnAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土2.影响因素土粒特性流体特性粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构和构造水的动力粘滞系数（水温）饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:LhiiiixxqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiiixHkH1kH1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流v承压水条件:vviihhiHH等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)iiikvHhzkvHhiizkvHkvHiizkHHk)k1HH(k1iiz水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定Lhii;HH;qqiii...k...;H,H121iHkqxiixHkH1kii2121HH;hh;v...vv;q...qq...k,k...;H,H2121HhkikvzziizkHHk§3.3平面渗流与流网Laplace方程一、平面渗流的基本方程及求解连续性条件zxkk假定：Δh对于稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽：dy=1与时间无关达西定律平面渗流的基本方程1.基本方程zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz0zvxvzxzhkv;xhkvzzxx连续性条件达西定律zxkk假定dxvdzvdqzxedx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxooedqdq0zhxh22220zhkxhk22z22xLaplace方程①与kx,kz无关②满足它的是两个共轭调合函数——势函数和流函数特点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2.求解方法基本方程边界条件解析方法适用于边界条件简单的情况通解：两个共轭调和函数势函数Φ(x,z)流函数Ψ(x,z)等势线流线边界条件特定解二、流网的绘制及应用流网——渗流场中的两族相互正交曲线——等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线——水质点运动的轨迹线。等势线——测管水头相同的点之连线。流网法——通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交H△h0lsls2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。ABCDlsH△h00ls绘制方法根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图初步绘制流网流网特点与上下游水位变化无关Δh=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。总水头差△h实际应用l/HiiiikvHMkMqq;HkslHkqiiii确定流速确定流量—流道数—M水力坡降§3.4渗透破坏与控制一、渗透力（动水力）试验观察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。渗透变形渗透力Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L土水整体分析h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L－γwΔh渗流中的土体静水中的土体R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少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---体积力R=γ’L－γwΔh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i=Δh/L=γ’/γwicr=γ’/γwγ’L－γwΔh=0e1)1G(wse11Giscr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：与渗流方向一致作用对象：土骨架利用流网求渗透力复杂条件总渗透力大小：jx网格面积方向：与流线一致作用点：形心ij流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同jAsljJsHsljJHHi;jllH△h0lsls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。crii0JW—和土的密实程度有关—eGiscr11粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流原因：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经验判断：管涌2.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。管涌破坏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3.防治措施scrFiii增大[i]：下游增加透水盖重防治流土减小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3.4.1概述土体受力后的三个问题：三相如何分担外力？全部由颗粒承担？三相间的应力如何传递和相互转化？它们与土的变形和强度有何关系？§3-4有效应力原理●四大定律：1压缩定律（de=-adp）2Coulomb强度定律3Dachy定律(v=ki)4有效应力原理构成了整个土力学学科的结构体系。●有效应力原理描述总应力、有效应力和孔隙压力三者之间的关系的理论原理.当土体承受力系时，作用于任一平面上的总应力是由土骨架所发挥的有效应力和孔隙中流体所承受的孔隙压力来共同承担。Terzaghi1925年最先提出§3-4有效应力原理3.4.2有效应力原理●表达式（饱和土、非饱和土）●实验验证●几点说明●不同条件、不同土有效应力的物理含义●有效应力原理的工程应用§3-4有效应力原理●表达式A=As+Aw+AaP=Ps+Pw+PaPs=sAsPw=wAwPa=aAaP=sAs+uwAw+uaAaP=Ps+Pw+PaA=As+Aw+Aaa总应力：=P/A=ss+uww+uaa(s+w+a=1)※对于完全饱和土，有：ua=0,Aa=0,a=0只有：s+w=1或w=1-s于是：=ss+uww=ss+uw(1-s)=ss+uww=ss+uw(1-s)分析：(1)As值极小，1%～1‰，可忽略，即：s0;(2)s非常大，可达材料屈服应力，(ss)不会趋近零，形成了一个实在量:土骨架的粒间应力，用’表示，即’=ss=’+uw※对于部分饱和土（非饱和土）1955,毕肖普Bishop提出：)(waauuu式中:——由孔隙气压力；——由孔隙水压力（总小于孔隙气压力，导致孔隙水表面受张力作用）；——毛细水压力；——与饱和度有关的系数：饱和土，；理想干土，。说明：非饱和土研究尚处于起步阶段，有待深入研究，但较复杂。wauu10auwu●实验验证●几点说明※土的有效应力与粒间应力具有相同的含义。※物理内涵：实质上是对于总应力作用面积上经过土颗粒之间传递的平均应力。※有效应力不可测，只能测孔隙水压力，反算之※孔隙水压力各向相等，因而不会造成土体压缩；※有效应力属于土颗粒骨架间的直接作用力,只有有效应力会导致土体产生压缩变形、发生强度变化，因此，土体变形、破坏研究的关键在于土体有效应力。●不同条件、不同土有效应力的物理含义(1)极细粒土：分子间的作用力有效应力粒间应力与分子作用力的综合反映(2)