3土力学与基础工程第二章-土中水的运动规律

1、土力学与基础工程 Soil Mechanics and Foundation Engineering,讲课老师 汤连生 教授 1380 977 3663 714 051 028,1,第二章 土中水的运动规律,2.1 概述2.2 渗透理论2.3 流网及其工程应用2.4 土中渗流的作用力及渗透变形,2,学习目标： 掌握土的渗透定律与渗透力计算方法 具备对地基渗透变形进行正确分析的能力基本要求： 1. 掌握土的渗透定律 2. 了解二维渗流及流网绘制 3 . 熟悉土中渗流量计算 4. 掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析,3,第一节 概述,地基土以及某些土工建筑物本身(如土坝)是由颗粒状或碎块固体材料组成的多孔隙介质，其内部包含着许多互相连通的孔隙或裂隙。存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中的这些孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。土中的自由水可分为毛细水和重力水。,4,毛细水位于地下水位以上的土孔隙中，它是由于水-气界面表面张力的作用，地下水沿着不规则的孔隙和裂隙上升而形成的。 毛细水既受重力作用还受表面张力引起的毛细力作用，两者达到平衡后在地下水位以上形成稳定的毛细饱水

2、区，毛细饱水区的形成将可能使地基土浸湿或产生冻胀而影响其承载能力和稳定性。 重力水位于地下水位以下的土孔隙中，它受重力作用的控制，能对土体产生浮力，在透水土层中还能在水力梯度作用下发生流动而形成渗流。本章研究的就是土中重力水的运动规津。,5,不同的土具有不同的透水能力，主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定。土的透水性定量指标是渗透系数，渗透系数值愈大，表示上的透水能力愈强。土层中所有各点在同一方向的透水能力相同时，称为均质土层，否则称为非均质土层。土层中任一点处各个方向的透水能力相同时，称为各向同性土层，否则称为各向异性土层。,6,在许多实际工程中都会遇到渗流问题。 如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖的基坑等。,闸基渗流,基坑渗流,7,图2-1(a)是水利工程中常见的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基的地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。,8,图2-1（b）为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。,9,在这些渗流问题中，通常

3、都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性。 当渗流的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增大。渗透力的增大将导致土体发生渗透变形，并可能危 及建筑物或周围设施的安全。因此，在工程设计与施工中，应正确分析可能出现的渗流情况，必要时采取合理的防渗技术措施。,10,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,美国Teton坝失事现场现状,原因,11,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,12,广州京广广场基坑塌方,13,珠海祖国广场基坑失事,14,第二节 渗透理论,一、渗透模型实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙，由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则，如右图所示。,图2-2 (a) 水在土孔隙中的运动,15,考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化： 一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 二是不考虑土体中颗粒

4、的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只 是一种假想的土体渗流，称之 为渗流模型，如图2-2(b)所示。,图2-2 (b)理想化的渗流模型,16,为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：(1) 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； (2) 在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； (3) 在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。,17,建立渗流模型后，即可采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析。,真实渗流与渗流模型中平均流速的关系：,渗流模型：,真实渗流：,nl.0，即v10-3cm/s)的土，应用粒组范围大致为细砂到中等卵石。,24,常水头渗透试验装置,25,2、变水头试验,当土样的渗透性较差时，由于流量太小，加上水的蒸发，使量测非常困难，此时宜采用变水头试验测定k值。 土试样的截面面积为A；量管的过水断面积为A。水在压力差作用下经试样渗流，玻璃量管中的水位慢慢下降，即让水柱高度h随时间t逐渐减小，然后读取两个时间t1和t2对应的水头高度h1和h2。 可推导出

5、渗流系数为,变水头试验适用于透水性较小 (10-7cm/sk10-3)的粘性土。,图2-5 变水头渗透试验装置图,26,变水头渗透试验装置,27,变水头试验公式推导,28,（二）现场测定法（粗颗粒土或成层的土 ）,现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透情况，测得的渗透系数k值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平均值，是比较可靠的测定方法，但试验规模较大，所需人力物力也较多。常用的是野外注水试验和野外抽水试验等。 现场测定渗透系数的方法较多，常用的有野外注水试验和野外抽水试验等，这种方法一般是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。,抽水试验开始前，先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为二种类型：完整井和非完整井。,野外抽水试验一般是：在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。,29,图(a)无压完整井抽水试验 图(b)无压非完整井抽水试验,完整井：井底钻至不透水层； 非完整井：井底末钻至不透水层。,在抽水井四周设若干

6、个观测孔，以观测周围地下水位的变化。试验抽水后，地基中将形成降水漏斗。当地下水进入抽水井的流量与抽水量相等且维持稳定时，测读此时的单位时间抽水量q，同时在两个距离抽水井分别为r1和r2的观测孔处测量出水位h1和h2 。对非完整井需量测抽水井中的水深h0，并确定降水影响半径R 。,图2-7 抽水试验,30,（1）无压完整井 上式求得的k值为r1rr2范围内的平均值。 若在试验中不设观测井，则需测定抽水井的水深h0,并确定其降水影响半径R，此时降水影响半径范围内的平均渗透系数为,31,R的取值对k值的影响不大，在无实测资料时可采用经验值计算。通常强透水土层（如卵石、砾石层等）的影响半径R值很大，在200500 m以上，而中等透水土层（如中、细砂等）的影响半径R值较小，在100200 m左右。,（2）无压非完整井,32,（三）经验估算法,渗透系数k值还可以用一些经验公式来估算，例如：例如1991年 哈森 提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的渗透系数的公式 ：1955年，太沙基 提出了考虑土体孔隙比e的经验公式 ：以上二式中的d10均以mm计，k值的单位是cm/s 。,33,这些经验公式虽然有其实用的一面，但都有其适用条件和局限性，可靠性较差，一般只在作粗略估算时采用。在无实测资料时，还可以参照有关规范或已建成工程的资料来选定k值，有关常见土的渗透系数参考值如下表 。,表2-1 土的渗透系数参考值,34,第三节 流网及其工程应用,在实际工程中，经常遇到的是边界条件较为复杂的二维或三维问题，如图2-8所示那样的带板桩闸基的渗流。在这类渗流问题中，渗流 场中各点的渗流速度v与水 力梯度i等均是位置坐标的 二维或三维函数。,35,对此必须首先建立它们的渗流微分方程，然后结合渗流边界条件与初始条件求解。 工程中涉及渗流问题的常见构筑物，如坝基、闸基及带挡墙（或板桩）的基坑等这类构筑物有一个共同的特点是轴线长度远大于其横向尺寸，因而可以认为渗流仅发生在横断面内，渗流的速度v等即是点的位置坐标x、z的二元函数，这种渗流称为二维渗流或平面渗流。,

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