土力学教学张春梅土的渗透性.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:,349134187,或者直接输入下面地址：,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：,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,或：,其中，,A,是试样的断面积,渗流试验与达西定律,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，,V,s,为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,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,i,0,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,，,t,V=Qt=vAt,V=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,1.,室内实验法,A,Q,A,Q,a,t=t,1,t=t,2,（,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(,h/L)Adt,连续性条件：,dVe=dVo,-adh=k(,h/L)Adt,选择几组量测结果，计算相应的,k,，取平均值,A,Q,2.,现场测定法抽水试验,试验条件,:,Q,=const,量测变量,:,r=r,1,，,h,1,=,？,r=r,2,，,h,2,=,？,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,）,d,50,：土颗粒平均粒径，,mm,；,：水的粘滞系数，,g.s/cm,2,；,e,：土的孔隙比；,C,：颗粒形状系数。,砂性土,哈臣,（,Hazen,）,C,H,：哈臣常数，,50,150,；,T,：水温，；,d,10,：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,0.13mm,，,Cu,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,饱和曲线,含水量,w,W,op,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,k,i,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,h,H,1,H,2,H,3,H,k,1,k,2,k,3,x,z,q,1x,q,3x,q,2x,1,1,2,2,不透水层,等效渗透系数,:,k,x,已知条件,:,q,x,=v,x,H=k,x,i H,q,ix,=,k,i,i,i,H,i,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,H,1,H,2,H,3,H,h,k,1,k,2,k,3,x,z,v,承压水,k,z,v,i,=k,i,(,h,i,/,H,i,),已知条件,:,达西定律,:,等效条件,:,v=k,z,(,h,/,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,h=0,静水中，土骨架只会受到浮力作用。,h0,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。,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,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=1,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,渗透力,-,受力分析,W,W,=,L,sat,L(,+,w,),P,1,=,w,h,w,P,2,=,w,h,2,R=?,R+P,2,=W+P,1,R+,w,h,2,=L(,+,w,)+,w,h,w,R=,L,土水整体受力分析,-,静水,截面积,A=1,W,W,=,L,sat,L(,+,w,),P,1,=,w,h,w,P,2,=,w,h,1,R=?,R+P,2,=W+P,1,R+,w,h,1,=L(,+,w,)+,w,h,w,R=,L-,w,h,土水整体受力分析,-,渗流,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,R=,L-,w,h,土水整体受力分析,-,对比,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,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=,w,i,渗流力,水平渗流力,隔离体左侧水压力,隔离体右侧水压力,单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,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=,w,i,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,i,cr,，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,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,i,cr,=,h/L=,/,w,i,cr,取决于土的物理性质,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。,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。,F,s,:,安全系数,1.52.0,i :,允许梯度,i i,cr,:,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,d,0,=0.25d,20,细粒含量,35%,细粒含量,25%,细粒含量,=25-35%,d,0,d,5,d,0,=d,3,-d,5,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,0 5 10 15 20 25 30 35,1.5,1.0,0.5,0,i,cr,C,u,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,i,cr,0.20-0.40,0.1-0.3,允许梯度,i,0.15-0.25,0.1-0.2,伊斯托敏娜（苏）,C,u,20,时,i,cr,=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,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,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,防治流土,防治管涌,渗流破坏与防治,第三节 二维渗流与流网,平面渗流的基本方程及求解,流网的绘制及应用,平面问题：,渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取,dy=1m,单位宽度的一片来进行分析,h=h(x,z),v=v(x,z),稳定渗流：,流场不随时间发生变化的渗流,h,平面渗流的基本方程及求解,渗流的连续性方程,单位时间流入单元的水量,:,渗流的连续性方程：,单位时间内流出单元的水量,:,连续性条件,:,dx,dz,v,x,v,z,x,z,渗流的运动方程,达西定律：,渗流的运动方程：,特例：各向同性均质土体,k,x,=k,z,Laplace,方程，,描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程,Laplace,方程所描述的渗流问题，应满足以下条件：,（,1,）此渗流属于稳定流；,（,2,）渗流符合达西定律；,（,3,）渗透水流流经的介质是不可压缩的；,（,4,）描述的是均匀介质或者是分块均匀介质的流场。,Laplace,方程表明，渗流场内任一点水头是其坐标的函数，知道了水头分布，即可确定渗流场的其他特征。,数学解析法或近似解析法：,求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解,数值解法：,有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展,电比拟试验法：,利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题,流网法：,简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题,渗流分析的方法,流网的绘制及应用,定义：,流线,是流场中的曲线，在这条曲线上所有各质点的流速矢量都和该曲线相切。,等势线,是渗流场中势能或水头的等值线。,在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为,流网,流线和等势线,正交,流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差,不变,流网中每一网格的边长比为,常数,，通常取为,1,流网的特性：,流网的绘制,1,）按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；,2,）判定渗流区的边界条件，如透水面、不透水面的数量和位置。,3,）先试绘若干条流线（应相互平行，不交叉且是缓和曲线），流线应与进水面、出水面正交，并与不透水面接近平行，不交叉；,4,）加绘等势线，须与流线正交，且每个渗流区的形状接近,“,方块,”,；,5,）反复修改和检查。,要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习,H=H,1,-H,2,0,H,1,H,2,不透水层,f,流网的应用,测管水头,h,确定孔压,确定渗流速度,确定流量,水力坡降,h,h,h,H,1,-h,H,1,H,1,-2h,q,q,q,q,流道数,