[2017年整理]土力学第三章土的渗透性

土的渗透性的概念 水的渗透：指水在水力坡降的作用下，流过土中连通孔隙的现象。 土的渗透性：指土体具有让水透过的性能。 水力坡降：指土体两端的水头与要流过的土体厚度之比。 水要在土体中发生流动，必须达到一定的水力坡降。砂土的达西定律 砂土的达西定律：当水流处于层流状态时，砂土的渗透速度与水力坡降成正比。 砂土的渗透性：砂土颗粒较粗，颗粒之间不存在连接力，只要存在水力坡降，水在砂土中就会发生流动。 渗透系数：指水力坡降等于1时的渗透速度。反映土体渗透性的大小。粘性土的达西定律 粘性土的达西定律：当水流处于层流状态时，粘性土的渗透速度与水力坡降成正比。 起始水力坡降ib：由于粘性土的颗粒之间存在连接力所致。 粘性土的渗透性：相同水力坡降条件下，水在砂土中可以流动，而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降时才流动渗透系数的测定 试验方法：常水头试验、变水头试验 常水头试验：在试验过程中水头始终保持不变，适用于粗粒土。测定在一定时间内流出的水量计算渗透系数。 变水头试验：在试验过程中水头不断变化，适用于细粒土。测定水头下降一定高度所需要的时间计算渗透系数。渗透试验简图 常水头试验：试验过程中，h保持不变 变水头试验：试验过程中， h随时间变化（下降）土的透水性划分 根据渗透系数的大小，土的透水性划分为三类：强透水性土：k10-2cm/s中等透水性土：k=10-3cm/s10-5cm/s弱透水性土：k ky 说明：1）如果成层土的厚度大致相同，而渗透系数又相差比较大的情况下，水平方向的渗透系数取决于透 水性最大一层的渗透系数；2）垂直方向的渗透系数则取决于最不透水一层的渗透系数。有效应力和孔隙水压力 外荷载分担：外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部 分由孔隙水承担，一部分由孔隙气体承担。对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。 总应力：指外荷载作用在土体上的总的应力。 有效应力：指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。 孔隙水压力：指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。 总应力、有效应力和孔隙水压力之间存在关系。有效应力原理 有效应力原理：指土体在外荷载作用下，孔隙水压力和有效应力之和始终等于总应力。孔隙水压力增加，必然引起有效应力减小；孔隙水压力减小，必然引起有效应力增大，增加的量和减小的量相等。计算简图 分析a-a、b-b水平面上的总应力、孔隙水应力和有效应力 渗流方向：1）不发生渗流 h=02）从上往下 h0静水条件下的有效应力原理 b-b平面上的应力：总应力为： =h1+sath2孔隙水应力为： u=h1+h2则有效应力为： =-u= sath2-h2=h2 讨论：1）有效应力与土深成正比，而与水深无关，它是土柱的有效重量（因为水下的土粒受到水的浮力作用 ，其重量按浮容重计算），成三角形分布；2）孔隙水应力与水深成正比，也成三角形分布。稳定渗流条件下的有效应力原理-1 渗流从上到下： 在a-a平面上：孔隙水应力u=h1 有效应力=0则总应力=+u=h1 在b-b平面上：总应力=h1+sath2 孔隙水应力u=h1+h2-h 则有效应力=-u=h2+h 与静水条件下比较：总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h，而有效应力增加h。稳定渗流条件下的有效应力原理-2 渗流从下到上： 在a-a平面上：孔隙水应力u=h1 有效应力=0则总应力=+u=h1 在b-b平面上：总应力=h1+sath2 孔隙水应力u=h1+h2+h则有效应力=-u=h2-h 与静水条件比较：总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力增加h，有效应力等量减小h。渗流作用下的有效应力原理 静水条件下的有效应力：等于土体的浮容重乘以水头高度。 稳定渗流条件下的有效应力：渗流从上到下：有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再加上 水的容重乘以水头高度。渗流从下到上：有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再减去水的容重乘以水头高度。渗透力 渗透力J：指渗透水流对土颗粒的作用力。方向：与渗透水流的运动方向一致。 单位体积渗透力j：指总渗透力与试样体积之比。方向：与总渗透力的方向一致。单位体积渗透力-1 土粒对水流的阻力：水要流过试样，必须克服整个试样内土粒对水流的 阻力所引起的水头损失h，这时土粒对水流阻力为：F=hA单位体积渗透力-2 总渗透力：由于土中水的渗透速度很小，流动水体的惯性力可以 不计，根据平衡条件，渗流作用于试样的总渗透力J就 等于试样中土粒对水流的阻力F，只是方向相反，即：J= F=hA 单位体积渗透力：作用在单位土体上的渗透力j为： 单位：KN/m3说明 单位体积渗透力与水力坡降的一次方成正比； 单位体积渗透力是一个体积力； 渗透力的方向与渗流方向一致； 渗透力的作用点在土体的重心处。 当渗流方向与土体的重力方向相反时，渗流的运 动对土体的稳定有影响。渗透变形 渗透变形：指渗透水流导致土体发生变形或破坏的现象 。 渗透变形的形式： 流土、管涌 流土：指粘性土或非粘性土在渗透水流作用下，土中某一部分土体同时发生移动的现象，发生于渗流出逸处。 管涌：非粘性土在渗透水流作用下，土中细小颗粒沿着粗大颗粒间的孔 隙被带出到土体外面的现象，发生于土体内部或渗流出逸处。土体的临界状态-1 土体的临界状态：指土体即将发生渗透变形时的状态。渗流从下往上 渗透力与浮容重的关系：总渗透力为：J=hA=AiL， 方向向上试样浮重为： W=AL 方向向下如果提高贮水器，使总渗透力与试样的浮重相等则：J= W AiL=AL =i =/i表明：渗透力就等于浮容重 j=i土体的临界状态-2 土体中的有效应力：当土体处于临界状态时，渗流方向从下往上，这时，渗透力等于土样的浮容重，土体中的有效应力为：=h2-h =h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0说明：有效应力为0，表明土颗粒间不存在接触应力，在渗流作用下，试样处于即将被浮动的临界状态。所以，土体的渗透变形取决于土的浮容重与向上的渗透力的大小。临界水力坡降 临界水力坡降：指土体即将发生渗透变形时的水力坡降。这时，向上的渗透力等于土体的浮重量，土体中的有效应力为0。 流土的临界水力坡降： 管涌的临界水力坡降：目前计算还不完善允许水力坡降 为保证土体的安全稳定，应考虑一定的安全系数。 允许水力坡降：指临界水力坡降除以一个大于1的安全系数。一般，安全系数Fs=2.0-3.0 土体是否发生渗透变形，就是将实测水力坡降i实与 允许水力坡降i进行比较。渗透变形的判断 将实测水力坡降i实与允许水力坡降i进行比较：i实i，土体发生渗透变形；i实=i，土体处于临界状态；i实i，土体处于稳定状态。 要保证土体不发生渗透变形，要求实测水力坡降 小于允许水力坡降。