土力学第三章土的渗透性.ppt

土的渗透性的概念土的渗透性的概念•水的渗透水的渗透： 指水在水力坡降的作用下，流过土中连通孔隙的现象•土的渗透性土的渗透性： 指土体具有让水透过的性能•水力坡降水力坡降： 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•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•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渗透系数的测定渗透系数的测定•试验方法：试验方法： 常水头试验、变水头试验•常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渗透试验简图渗透试验简图•常水头试验常水头试验： 试验过程中，h保持不变•变水头试验变水头试验： 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： 强透水性土强透水性土：k>10-2cm/s 中等透水性土中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s 弱透水性土弱透水性土：k<10-6cm/s•实际工程中，根据实际部位的要求，选择相应透水性的土体渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素-1-1•影响因素影响因素：颗粒大小和级配、孔隙比、水的动力粘滞系数、封闭气体、有机质和胶体颗粒、成层土•颗粒大小和级配颗粒大小和级配的影响的影响： 颗粒大，渗透系数大；颗粒小，渗透系数小级配不均匀的渗透系数小于级配均匀的渗透系数，说明级配越不均匀，渗透系数越小；级配越均匀，渗透系数越大•孔隙比孔隙比的影响的影响： 土越松散，孔隙比越大，则渗透系数越大； 土越紧密，孔隙比越小，则渗透系数越小。

•有机质和胶体颗粒有机质和胶体颗粒的影响的影响： 有机质越多，胶体颗粒含量越少，渗透系数越大渗透系数影响因素渗透系数影响因素-2-2•水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数的影响的影响： 渗透系数k随温度的变化而变化渗透系数以10C时的温度为准，其它温度下的渗透系数kT需换算成10C下的渗透系数k10： k10= kT. T/10 （是水的动力粘滞系数）•封闭气体封闭气体的影响的影响： 土中气体分为两部分：自由气体、封闭气体 封闭气体的存在，会阻塞通道，影响土的渗透性 封闭气体含量越多，则渗透系数越小•成层土的影响成层土的影响： 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数成层土的渗透性成层土的渗透性•因为土实际上是成层分布的，所以存在着平行层理方向和垂直层理方向的渗透系数平行层理方向的渗透系数平行层理方向的渗透系数•两层土两层土的渗透系数的渗透系数： 具有以下特性： 1）各层的水力坡降相等，即i= i1= i2； 2）总渗流量等于各分层流量之和，即q= q1+ q2 则两层土的水平向渗透系数为： •n层土层土的渗透系数的渗透系数：垂直层理方向的渗透系数垂直层理方向的渗透系数•两层土两层土的渗透系数的渗透系数： 具有以下特性： 1）总水头等于两部分水头损失之和， 即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2； 2）各层的渗流量相等，即q=q1=q2。

则两层土的垂直向渗透系数为： •n层土层土的的渗透系数渗透系数：讨论讨论•水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数 kx> ky•说明说明： 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有效应力和孔隙水压力•外荷载分担外荷载分担： 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•总应力总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力•有效应力有效应力： 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•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•渗流方向渗流方向： 1）不发生渗流 h=0 2）从上往下  h<0 3）从下往上  h>0静水条件下静水条件下的有效应力原理的有效应力原理• b-b平面上的应力平面上的应力： 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稳定渗流条件下稳定渗流条件下的有效应力原理的有效应力原理-1-1•渗流从上到下渗流从上到下：•在在a-a平面上平面上： 孔隙水应力u=h1 有效应力=0 则总应力=+u=h1•在在b-bb-b平面上平面上： 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。

稳定渗流条件下稳定渗流条件下的有效应力原理的有效应力原理-2-2•渗流从下到上渗流从下到上：•在在a-a平面上平面上： 孔隙水应力u=h1 有效应力=0 则总应力=+u=h1•在在b-b平面上平面上： 总应力=h1+sath2 孔隙水应力u=h1+h2+h 则有效应力=-u=h2-h•与与静水条件比较静水条件比较： 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渗流作用下的有效应力原理•静水条件下的有效应力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稳定渗流条件下的有效应力： 渗流从上到下渗流从上到下： 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•渗透力渗透力J： 指渗透水流对土颗粒的作用力。

方向方向：与渗透水流的运动方向一致•单位体积渗透力单位体积渗透力j： 指总渗透力与试样体积之比 方向方向：与总渗透力的方向一致单位单位体积体积渗透力渗透力-1-1•土粒对水流的阻力土粒对水流的阻力：： 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单位单位体积体积渗透力渗透力-2-2•总渗透力总渗透力： 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•单位单位体积体积渗透力渗透力： 作用在单位土体上的渗透力j为： 单位：KN/m3说明说明•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•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。

•渗透变形的形式渗透变形的形式： 流土、管涌•流土流土： 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土土体体的临界状态的临界状态-1-1•土体的临界状态土体的临界状态： 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土体的临界状态土体的临界状态-2-2•土体中的有效应力土体中的有效应力： 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•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流土的临界水力坡降：•管涌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。