土力学与地基基础-(第二章-土的渗透性).ppt

,可编辑课件PPT,*,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,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,可编辑课件PPT,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,2.1,土的渗透定律,2.2,渗透试验与渗透力,第二章 土的渗透性,1,可编辑课件PPT,本章提要,本章特点,学习要点,土的渗透性和渗透规律,渗透,力与渗透,变形,有,严格的理论（水流的一般规律）,有经验性规律（散粒多孔介质特性）,注意对物理概念和意义的把握,注意把握土是散粒多孔介质这一特点,2,可编辑课件PPT,土体中的渗流,土颗粒,土中水,渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动,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,3,可编辑课件PPT,土体中的渗流,对土的渗透问题研究主要包括下述三个方面：,渗流量问题,渗透变形（渗透破坏）问题,渗流控制问题,4,可编辑课件PPT,板桩围护下的基坑渗流,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,渗透破坏？,3.,渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,5,可编辑课件PPT,渗流问题：,1.,渗流量,Q,？,2.,降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,6,可编辑课件PPT,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,原地下水位,渗流时地下水位,7,可编辑课件PPT,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题：,1.,渗透力？,2.,入渗过程？,事故实例,8,可编辑课件PPT,渗流量,扬压力,渗水压力,渗透破坏,渗流速度,渗水面位置,挡水建筑物,集水建筑物,引水结构物,基础工程,地下工程,边坡工程,渗透特性,变形特性,强度特性,土的渗透特性,9,可编辑课件PPT,水头与水力坡降,土的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,土的渗透性与渗透规律,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,10,可编辑课件PPT,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,位置、压力和测管水头,z,A,0,0,A,B,u,0,p,a,z,B,基准面,静水,11,可编辑课件PPT,水流动的驱动力,水往低处流,水往高处“跑”,速度,v,压力,u,位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处,流速：水具有的动能,压力：水所具有的压力势能,也可使水流发生流动,12,可编辑课件PPT,位置势能：,mgz,压力势能：,0,0,基准面,质量,m,压力,u,流速,v,z,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,水流动的驱动力,-,水头,13,可编辑课件PPT,渗流中的水头与水力坡降,A,B,L,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程,14,可编辑课件PPT,A,点总水头：,水力坡降,A,B,L,h,A,h,B,z,A,z,B,h,基准面,水力坡降线,B,点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力坡降,i,：单位渗流长度上的水头损失,15,可编辑课件PPT,达西渗透试验,L,A,h,1,h,2,Q,Q,透水石,1856,年达西,(Darcy),在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，,A,是试样的断面积,16,可编辑课件PPT,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,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,17,可编辑课件PPT,达西定律的适用范围,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围,在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：,0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5,达西定律,适用范围,2.0,1.5,1.0,0.5,0,水力坡降,流速(,m/h),砾石,粗砂,中砂,细砂,极细砂,R,e,5,时层流,R,e,200,时紊流,200,R,e,5,时为过渡区,18,可编辑课件PPT,达西定律的适用范围,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,i,v,o,i,0,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降,i,0,i,v,o,v,cr,ii,0,v=k,(i-i,0,),19,可编辑课件PPT,渗透系数的测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,室内试验方法,野外试验方法,20,可编辑课件PPT,室内试验方法,-,常水头试验法,试验条件,:,h,，,A,，,L=const,量测变量,:,体积,V,，,t,适用土类：透水性较大的砂性土,i=h/L,V=Qt=vAt,v=ki,h,L,土样,A,V,Q,21,可编辑课件PPT,室内试验方法,-,变水头试验法,试验条件,:,h,变化,A,，,a,，,L=const,量测变量,:,h,，,t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,t=t,1,h,1,t=t,2,h,2,L,Q,水头,测管,开关,a,22,可编辑课件PPT,土样,A,t=t,1,t=t,2,h,1,h,2,L,Q,水头,测管,开关,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,h,dh,t,t+dt,室内试验方法,-,变水头试验法,选择几组量测结果,，计算相应的,k,，取平均值,23,可编辑课件PPT,室内试验方法,小结,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h,变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,24,可编辑课件PPT,现场测定法抽水试验,抽水量,Q,r,1,r,2,h,1,h,2,井,不透水层,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,观察井,25,可编辑课件PPT,A=2,rh,i=dh/dr,计算公式：,r,抽水量,Q,r,1,r,2,h,1,h,2,井,不透水层,dh,dr,h,地下水位,测压管水面,现场测定法抽水试验,26,可编辑课件PPT,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,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,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,d,10,来表示，如哈臣公式：,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：,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,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,渗透系数的影响因素,土的特性,水的特性,27,可编辑课件PPT,渗透力及渗透稳定性,渗流所引起的稳定问题：,（1）土体的,局部稳定,问题，又称为,渗透变形,问题；,（2）,整体稳定,问题。,渗流力的概念,水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。,渗流力,：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力、动水压力。,28,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,渗透力,-,试验观察,h=0,静水中，土骨架会受到浮力作用。,h0,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,：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,29,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,渗透力,-,试验观察,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,土粒,渗 流,渗透力,j,：体积力,渗透力,j,：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,30,可编辑课件PPT,截面积,A=1,渗透力与渗透变形,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,31,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,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,32,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,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,33,可编辑课件PPT,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,临界水力坡降,i,cr,，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,R=,L-,w,h=0,临界水力坡降,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,i,cr,=,h/L=,/,w,由于,i,cr,取决于土的物理性质,34,可编辑课件PPT,=,+,W,W,W,w,土水,=,土骨架,+,孔隙水,J,R,J,P,1,P,2,P,1,P,2,R,土水隔离受力分析,渗透力与渗透变形,渗透力,-,受力分析,R=,L-,w,h,土骨架受力分析：,有效重量：,W,=L,总渗透力：,J=Lj,滤网的反力：,R,孔隙水受力分析：,水压力：,P,1,=,w,h,w,P,2,=,w,h,1,总渗透力：,J=J,水重,+,浮力反力：,W,w,=V,v,w,+V,s,w,=L,w,孔隙水受力平衡,j=,w,i,土骨架受力平衡,35,可编辑课件PPT,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,渗透力与渗透变形,36,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,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,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,37,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,渗透变形,-,流土,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,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,渗流,原因：,与土的密实度有关,38,可编辑课件PPT,坝体,渗透力与渗透变形,渗透变形,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,渗流,过程演示,1.,在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.,孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.,形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,39,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,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,40,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,F,s,:,安全系数1.5,2.0,i :,允许坡降,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，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,41,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,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,42,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,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,P(%),lgd,骨架,充填料,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,43,可编辑课件PPT,渗透力与渗透变形,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,临界水力坡降,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,水力坡降,级配连续土,级配不连续土,破坏坡降,i,cr,0.20-0.40,0.1-0.3,允许坡降,i,0.15-0.25,0.1-0.2,伊斯托敏娜（苏）,中国学者,C,u,20,时,i,cr,=0.25-0.30,，,考虑安全系数后：,i=0.10-0.15,44,可编辑课件PPT,透水层,不透水层,防渗体,坝体,浸润线,渗透变形的防治措施,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,渗透力与渗透变形,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,45,可编辑课件PPT,土的渗透性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,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,46,可编辑课件PPT,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,土的渗透性与渗透规律,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,47,可编辑课件PPT,层状地基的垂直等效渗透系数,土的渗透性与渗透规律,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,:,48,可编辑课件PPT,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,土的渗透性与渗透规律,H,1,H,2,H,3,H,k,1,k,2,k,3,x,z,49,可编辑课件PPT,层状地基的等效渗透系数,土的渗流性与渗透规律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,50,可编辑课件PPT,小 结,渗透力与渗透变形,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,渗透力与渗透变形,渗流中的水头与水力坡降,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,渗透力：概念与计算,渗透变形：类型、条件、防治,51,可编辑课件PPT,土坝，高,90m,，长,1000m,，,1975,年建成，,次年,6,月失事,渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,Teton,坝,失事现场现状,原因,52,可编辑课件PPT,失事原因研究结论,53,可编辑课件PPT,九江大堤决口,1998,年,8,月,7,日,13:10,发生管涌险情，很快形成宽,62m,的溃口,堤基管涌,焦点词汇：豆腐渣工程,原因,54,可编辑课件PPT,沟后面板砂砾石坝,位于青海省，高,71,米，长,265,米，建于,1989,年。,1993,年,8,月,7,日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。,溃坝原因：,面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,55,可编辑课件PPT,西藏易贡巨型滑坡,时间：,2000,年,4,月,9,日约,20,时,规模：滑坡体自相对高差近,3330m,的雪峰阳坡滑下，历时约,10,分钟，滑程,8km,。堆积体长、宽各约,2500m,，平均厚,60m,，最厚,100m,，体积约,2.8,亿,-3.0,亿,m,3,。,地质：滑坡堆积体,80%,以上是砂性土,险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积,22km,2,，湖长,17km,，水位以每天,0.5-0.6m,的速度上涨，湖水无下泄通道，预计,6,月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达,40,亿,-60,亿,m,3,56,可编辑课件PPT,西藏易贡巨型高速滑坡,57,可编辑课件PPT,西藏易贡巨型高速滑坡,58,可编辑课件PPT,湖水每天上涨,50cm,！,易贡巨型滑坡现场,59,可编辑课件PPT,预案一：加强监测，上、下游移民工作，库满自溢漫顶溃口,预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢流漫顶溃口。,预案三：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆积体成坝，,堰塞湖成库,易贡滑坡处理预案,最终采用预案二,60,可编辑课件PPT,武警部队等,700,多名抢险人员，奋战,33,天，累计开挖土石方,135.5,万,m,3,，有效降低了堆积体过水高程,24.1m,，减少拦存湖水约,20,亿,m,3,施工队伍,6,月,4,日撤离；,6,月,8,日,6,时,40,分，泄水渠过水，至,11,日,2,时,50,分堆积体溃决；,11,日,21,时，滑坡体拦存的湖水按预定方案完全下泄,泄洪时易贡湖库容量已达,30,多亿立方米,易贡滑坡处理结果,61,可编辑课件PPT,作业,流网,62,可编辑课件PPT,此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！,部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！感谢你的观看！,