第3章土的渗透性与工程降水.ppt

土力学地基基础 Soil Mechanics and Foundation Engineering,河南科技大学建工学院 高笑娟,第3章 土的渗透性和工程降水,主要内容： 3.1 概述 3.2 渗透理论 3.3 流网及其工程应用 3.4 土中渗流的作用力及渗透变形,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,3.1 概述 1、渗透的工程背景,堤坝,隧道,闸基,水利工程中的闸基，在上游水位压力差的作用，水将从上游河底进入闸基地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出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水井渗流,渠道、河道渗流,雨水入渗引起滑坡,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,,渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置,,Teton坝失事现场现状,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,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,九江大堤决口,溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳,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广州京广广场基坑塌方,珠海祖国广场基坑失事,西藏易贡巨型高速滑坡,湖水每天上涨50cm！,易贡巨型滑坡现场,3.2 渗透的基本理论,1、渗透的概念 渗流（渗透）：在水位差的作用下，水透过土体的孔隙发生流动的现象 2、土的渗透性,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,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,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,动能：,压力势能：,总能量：,单位重量水流的能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,,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,,,,L,A,B,,,,,,,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）,渗流的总水头：,也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处,A点总水头：,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,3、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、分布等极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则。

考虑到实际工程可对渗流作如下简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折；二是不考虑土体中颗粒的影响，这种假想的渗流模型 A：模型的流量等于真实的流量； B：模型的压力等于真实的压力； C：模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等 对于渗透速度，用单位时间内通过土体单位面积的水量这种平均渗透速度来代替真实速度真实渗流,4、达西渗透试验与达西定律 达西(1856年)分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比，即 式中 i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降； k为渗透系数, 其值等于梯度为1时水的渗透速度，cm/s 上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律达西实验的装置 ①：直立圆筒横截面积为A，上端开口在圆筒侧壁装有两支相距为L的测压管 ②：滤板滤板上填放颗粒均匀的砂土 ③：溢水管水由上端注入圆筒，多余的水从此溢出，使筒内水位维持一恒定值 ④：短水管渗透过滤板的水从此流入⑤ ⑤：量杯计算渗流量q 同时读取断面1—1和断面2—2处的侧压管水头值h1、h2，得到两断面之间的水头损失△h= (L+h1)-h24、达西定律的适用范围 达西定律是由砂质土体(中砂、细砂、粉砂等)实验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。

进一步的研究表明，在某些条件下，渗透并不一定符合达西定律，因此在实际工作中还要注意达西定律的适用范围大量试验表明: (1) 当渗透速度较小时，渗透的沿程水头损失与流速的一次方成正比在一般情况下，砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动—层流，渗流运动规律符合达西定律，渗透速度v与水力梯度i的关系可在v-i坐标系中表示成一条直线，如图(a)所示,①砂土、一般粘土 ②颗粒极细的粘土： 土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度i0, 只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透2) 粗颗粒土(如砾、卵石等)的试验结果如图(b)所示 由于其孔隙很大，当水力梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，v-i关系成线性变化，达西定律仍然适用 当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式—紊流，v-i关系呈非线性变化，达西定律不再适用适用条件：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 ：,Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区,6、渗透系数的确定 渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数 值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义 影响渗透系数大小的因素: (1) 土体颗粒的粒度成分(形状、大小等)和矿物成分； (2) 土的结构构造； (3) 水的粘滞性 要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，可通 过试验方法或经验估算法来确定k值室内试验方法 野外试验方法,,常水头试验法 变水头试验法,,井孔抽水试验 井孔注水试验,（1）实验室测定法 1) 常水头试验 试验时将高度为l，横截面积为A的试样装入垂直放置的圆筒中，从土样的上端注入与现场温度完全相同的水，并用溢水口使水头保持不变试验条件: Δh，A，L不变 量测变量: 体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,2) 变水头试验——整个试验过程水头随时间变化 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。

试验条件:Δh变化 A，a，L不变 量测变量: h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,在tt+dt时段内：,（2）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抽水试验 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 完整井：井底钻至不透水层；非完整井：井底末钻至不透水层试验条件: Q不变 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？,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,（3）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：太沙基(Terzaghi) 1955年提出了考虑土体孔隙比e的经验公式等这些经验公式虽有其实用的一面，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。

土 的 渗 透 系 数参考值,,7、影响渗透系数的因素,（1）土粒大小与级配,细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小2）土的密实度,同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小3）水的动力粘滞系数,动力粘滞系数随水温发生明显的变化水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表,（4）土中封闭气体含量,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小8、成层土的渗透系数,（1）水平渗透系数,通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和,达西定律,平均渗透系数,整个土层与层面平行的等效渗透系数,（2）垂直渗透系数,根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i,总水头损失等于各层水头损失之和,垂直渗透系数,整个土层与层面垂直的等效渗透系数,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,算例,3.3 流网及其工程应用,平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。

对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析,稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流,h=h(x,z), v=v(x,z),与时间无关,,单位时间流入单元的水量:,单位时间内流出单元的水量:,连续性条件:,,渗流的连续性方程：,渗流的连续性方程：,达西定律：,,渗流的运动方程：,特例：各向同性均质土体 kx=kz,,Laplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程,数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解 数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展 电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题 流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题,在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网,流线和等势线正交 流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差不变 流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1,1）确定边界条件：边界流线和首尾等势线 2）研究水流的方向：流线的走向 3）判断网格的疏密大致分布 4）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形 5）反复修改和检查,,要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习,3.4 渗透力与渗透变形,（1）渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反,1、渗透力和临界水力坡降,渗流作用于单位土体的力,说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗。