lxdjjc3《土力学与地基基础》第三章土的渗透性与渗流

2009.09,第三章 土的渗透性与渗流,本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力及渗透变形等问题。 通过本章学习，掌握土的渗透性（达西定律），掌握水头、测管水头、水力坡降的概念，熟悉渗透系数的测定方法，特别是层状地基的等效渗透系数的确定。学会应用二维渗流流网确定测管水头、孔隙水压力、水力坡降、渗透速度和渗透流量。,2009.09,土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。渗透是水头差作用下，水透过土体孔隙的现象。土允许水透过的性能称为土的渗透性。,2009.09,第一节 土的渗透定律,一、渗流中的总水头与水力坡降 前提：流体是连续介质，流体是不可压缩的，流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 断面积分别为W1和 W2、流速分别为V1和V2断面处：,2009.09,上式表明：通过稳定总流任意过水断面的流量相等；或稳定总流过水断面平均流速与过水断面面积成反比。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 饱和土体空隙中的渗透水流 ，用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。,2009.09,理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的）。 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。,2009.09,水在土中渗流示意图,液流中一点的总水头h，可以用位置水头Z，压力水头u/rw和流速水头v2/2g之和表示，即：,水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。,2009.09,A,B两点的总水头可分别表示为：,2009.09,二、渗透试验与达西定律,1. 1956年，达西利用试验装置，对砂土的渗流性进行了研究 。下图：达西渗透试验装置,2009.09,研究中发现水在土中的渗流速度与试样两端面间的水头差成正比，而与渗流长度成反比，于是他把渗流速度表示为： 这就是著名的达西定律， 式中v：表示断面平均渗透速度，单位：mm/s k：渗透系数，（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时的渗透速度。,2009.09,达西定律说明： （1）在层流状态的渗流中，渗流速度v与水力坡降的一次方成正比，并与土的性质有关。或砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系。 （2）但对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。将一开始渗透时的水力坡降称为粘性土的起始水力坡降i。,2009.09,密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈线性关系。 式中： 指密实粘土的起始水力坡降。,砂土和粘性土的渗透规律,2009.09,试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石，卵石），在较大的水力坡降下，水在土中的流动即进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律不能适用。,2009.09,卵砾石等粗颗粒的渗流,对于粗颗粒的砾、卵石土，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈直线关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律同样不能适应，可用下式表示,2009.09,用达西定律计算出的渗透速度不是水在土中的渗透速度，而是一个假想的平均速度，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面进行的，而实际上，渗透水不仅仅通过土体中的孔隙流动，因此，水在土中的实际平均流速要比用达西定律所求得的数值大得多,2009.09,相关考题,（1）土中水的渗透速度即为其实际流动速度。（ ） 1）什么是达西定律？写出其表达式？说明其中字符的含义。 （7）达西渗透定律的适用条件是什么？砂土、粗粒土（指卵石、砾石等）、粘性土的渗透定律有何不同，绘图示意。用达西定律计算出的渗透速度是不是孔隙水在水中的真实的渗透流速，它们在物理概念上有何区别？,2009.09,第二节 渗透系数及其确定方法,（一）、渗透系数的测定和影响因素,渗 透 系 数 的 测 定 方 法,实验室测定法,现场测定法,常水头测定法,变水头试验法,适用于透水性大 的砂性土,适用于透水性小的 粘质土和枌质土,实测流速法,抽水法,注水法,色素法、电解质法、 食盐法,降低水位法：平衡法， 不平衡法、水位恢复法,2009.09,抽水试验 (补充）,抽水试验是工程地质勘察中查明建筑场地的地层渗透性，测定有关水文地质参数常用的方法之一。一般钻孔或探井简易抽水，可用于粗略估计弱透水层的渗透系数；不带观测孔的抽水可初步判断含水层的渗透系数；而要较准确地求得含水层的各种参数，需要带观测孔的抽水试验。,2009.09,抽水孔(井)位置应根据试验的目的，结合场地水文地质条件、地形地貌条件等，布置在有代表性的地段。观测孔应围绕抽水孔布置12排，首先应布置在与地下水流向相垂直的方向上；当布置两排时，另一排应布置在平行地下水流向的方向上(图8-16)。,2009.09,计算参透系数k 对于均质等厚、无限边界的完整井，当测得井中水位降深Sw和影响半径R时 对承压水： 潜水：,2009.09,（二）影响渗透系数的因素,影 响 渗 透 系 数 的 因 素,土的粒度成分和 矿物成分的影响,孔隙比对渗透系数 的影响,土的结构构造的影响,结合水膜厚度的影响,土中气体的影响,土的颗粒大小，形状及级配 ，影响土中孔隙大小及形状， 因而影响渗透性。,孔隙比的影响，主要决定于 土体中的孔隙体积，而孔隙 体积又决定于孔隙的直径大 小，决定于土粒大小和级配。,天然土层通常不是各向同性的 竖直方向的渗透系数与水平方 向的渗透系数相差很大。,当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞 水的渗流，从而降低渗透性。,粘性土中若土粒的结合水膜较厚时， 会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。,2009.09,2009.09,二、层状地基的等效渗透系数 天然沉积土往往是由渗透性不同的土层所组 成。其中以与土层层面平行和垂直的简单渗流情况最典型。 水平渗流情况： 知地基内各层土的渗透系数分别为k1，k2，k3,kn，厚度分别为H1，H2，Hn，总厚度为H。,2009.09,沿水平方向的等效渗透系数kx 竖直渗流情况 ： 沿竖直方向的等效渗透系数ky,2009.09,第三节 土的二维渗流及流网,上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介质内的流动特征均可根据达西定律确定。,2009.09,在工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得多，水流形态往往是多个方向的，例如常见开挖基坑的渗流（图3-5），这时，介质内的流动特性常逐点不同，并且只能以微分方程的形式表示，然后根据边界条件进行求解。,2009.09,土的二维渗流及流网,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 设从稳定渗流场中任取一微分单元土体，其面积为dxdy，如图若单位时间内在x方向流入单元体的水量为qx，流出的水量为 ，在y方向流入 水量为qy，流出的水量为 。,2009.09,假定在渗流作用下单元的体积保持不变，水又是不可压缩的，则单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的总水量，即,2009.09,根据达西定律，qx=kxixdy , qy=kxiydx；其中x和y 方向的水力坡降分别为 将上列关系式代入上式中并经简化后可得,这就是各向异性土在稳定渗流时的连续方程。,2009.09,如果土是各向同性的，即kx=ky,则上式可改写成： 这就是著名的拉普拉斯方程 ,是描述稳定渗流的基本方程式。,2009.09,二、流网的特征及应用 满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线。就渗流而言，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的势能是等。 只有满足边界条件的流线和等势线的组合形式才是拉普拉斯方程的正确解答。 等势线和流线示意图,2009.09,流网即为一族流线和等势线交织而成的网格，根据水力学，具有下列特征： (1)流线和等势线彼此正交； (2)每个网格的长宽比值为常数，这时的网格就成为正方形或曲线正方形； (3)相邻等势线的水头损失相等； (4)各流糟的渗流量相等。,2009.09,流网绘出后，即可求得渗流场中各点的测管水头，水力坡降，渗透流速和渗流量。,2009.09,1测管水头 水头损失 式中： ：上，下游水位差 N：等势线间隔数 n:等势线数 :每一条等势线间隔所消耗的水头 从而可求流网中任一点的测管水头,2009.09,2.孔隙水压力u 渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管中的水柱高度hu乘以水的容重rw 3水力坡降 流网中的任意网格的平均水力坡降： 为该网格处流线的平均长度，可见 减小则流网网格越密。,2009.09,4渗透速度 各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根据达西定律求出：即vki，其方向为流线在该点的切线方向。 5渗透流量 单宽流量： ：流网网格的宽度 即相邻流线间的单宽流量相等。 通过坝下渗流区的总单流量： 通过坝底的总渗流量：,2009.09,三、各向异性土中的流网-了解,当kx ky 时 ， 但对各向异性土，即kx ky时， 将上式两边同除以ky,得 令： 则：,2009.09,可见：对于各向异性土，只要把水平坐标x 乘以比例尺 转换新坐标x，同时保 持y的比例尺不变，就会按各向同性土来处理。由此绘得的流网称变态流网。 利用变态正交流网求渗流量：,2009.09,第四节 渗流力与渗透变形,渗流所引起的变形（稳定）问题一般可归结为两类： 一类是土体的局部稳定问题。这是由于渗透水流将土体中的细颗粒冲出，带走或局部土体产生移动，导致土体变形而引起的渗透变形。 另一类是整体稳定问题。这是在渗流作用下，整个土体发生滑动或坍塌。,2009.09,堤 岸,1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。 一般来说，长江中下 游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。 在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生管涌。,2009.09,2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。,2009.09,一、渗透力,1.渗透力演示试验 将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗透力。 渗透试验示意图,2009.09,(1)当A与B水平平齐时，则无渗流发生; (2)若将B提升，则B内的水就透过砂样A从溢水口流出。提得越高，水流越快。 (3)当B提升到某一高度时，可看到砂土出现像沸腾那样的现象（砂沸）设水下土颗粒有效重力为W（土粒重力与水的浮力之差），竖直向上的渗透力为J，则土粒实际合力RWJ。 当JW时，R0，土粒处于悬浮状态，出现上述现象。,2009.09,2渗流时的受力分析 从渗流场中取一流网格（土体）ABCD, 见下图：（a)挡土墙平面渗流场 (b)单元体中的侧压管水头 (c)单元体孔隙水压力分布图,2009.09,AB，DC为等势线，AD，BC为流线，网格 长为L，宽为b，（两边h0相等，因为相邻两流线）：流线AD与水平线夹角。 (1) 土体整体受力分析 以网格AB，CD整体作为分析对象，网格土体上作用力有： Wrsat×b×L×