土力学第三章.ppt

1土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流第三章第三章2§3.1 概述概述§3.2 土的渗透性土的渗透性§3.3 土中二维渗流及流网§3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3本章特点本章特点学习要点学习要点主要难点主要难点•有较严格的理论（水流的一般规律）有较严格的理论（水流的一般规律）•有经验性规律（散粒体多孔介质特性）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）•注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解•注意土是散粒体（多孔介质）这一特点注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 •水头及水力坡降水头及水力坡降•渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法4碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性§3.1 概述概述能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流渗透渗透水、气等在土体孔隙中透过的现象水、气等在土体孔隙中透过的现象5渗流量渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流§3.1 概述6渗水压力渗流量渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流§3.1 概述7渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q§3.1 概述8渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流§3.1 概述9渗流滑坡渗流滑坡§3.1 概述10渗流量渗透破坏渗流控制§3.1 概述11§3.1 概述概述§3.2 土的渗透性土的渗透性§3.3 土中二维渗流及流网§3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流12ABLh1h2zAzBΔΔh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线Bernoulli定理：定理：水头水头－－单位重量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/γγw w：压力水头：压力水头V2/(2g)：：流速水头流速水头≈0≈0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头： 水头：水头：水力坡降：水力坡降：水头差：水头差：测管水头测管水头§3.2 土的渗透性土的渗透性§3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念13§试验前提试验前提：：层流层流 Δh↑，，q↑ A↑，，q↑ L↑，， q↓断面平均流速断面平均流速水力梯度水力梯度层流：相邻两个水分子运动的层流：相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。

轨迹相互平行而不混流§试验结果试验结果§试验装置：试验装置：如图如图§试验条件试验条件: : h1，，A，，L=const§量测变量量测变量: : h2，，V，，TΔh=h1-h2q = Q/t§3.2 土的渗透性§3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律14达西定律达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关注意：注意：AAvv：：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A > Avq＝＝vA ＝＝ vsAvk: : 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：物理意义：水力梯度水力梯度i＝＝1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day§3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律§3.2 土的渗透性15 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）²岩土工程中的绝大多数渗流问岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围属层流范围²在粗粒土孔隙中，水流形态可在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。

渗流不再服从达西定律²可用雷诺数可用雷诺数Re进行判断：进行判断：Re＜5时层流时层流Re ＞200时紊流时紊流200＞ Re ＞5时为过渡区时为过渡区 §3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律§3.2 土的渗透性16（（1）粗粒土：）粗粒土：①①砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律②②砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 两种特例：两种特例：（（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密的粘土 i > i0,(起始水力坡降）起始水力坡降）v = k(i - i0 )§3.2.2 土的层流渗透定律土的层流渗透定律§3.2 土的渗透性17室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验§3.2 土的渗透性§3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数K：：反映土的渗透能力的定量指标反映土的渗透能力的定量指标 渗透计算必须使用的基本参数渗透计算必须使用的基本参数181 1、室内渗透试验测定渗透系数、室内渗透试验测定渗透系数•—常水头试验法常水头试验法§结果整理结果整理§试验装置：试验装置：如图如图§试验条件试验条件: : Δh，，A，，L=const§量测变量量测变量: : Q，，ti=Δh/LQ=qt=vAtv=ki适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数hL土样土样AVQ• 变水头试验法变水头试验法透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?§3.2 土的渗透性19 变水头试验法变水头试验法§试验装置：试验装置：如图如图§试验条件试验条件: : Δh变化变化，，A，，L=const§量测变量量测变量: : Δh ，，t土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性20§结果整理结果整理: :t时刻：时刻： ΔhdtdhdQe= - adhdQo=kiAdt=k (Δh/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (Δh/L)Adt选择几组选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关ahdhtt+dt§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性212、、 现场测定渗透系数现场测定渗透系数优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数地下水位地下水位≈≈测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2πrhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：井孔抽水实验方法：井孔抽水积积分分§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性223.影响渗透系数的主要因素 Ø粒径大小及级配粒径大小及级配Ø孔隙比孔隙比——密实度密实度Ø矿物成分矿物成分Ø结构结构Ø饱和度（含气量）饱和度（含气量）Ø温度温度——水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性23粒径大小及级配：粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。

成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制图图3-103-10b b1）土粒特性的影响）土粒特性的影响孔隙比：孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比一般随孔隙比e增大而增大图增大而增大图3-103-10a a——c c矿物成分：矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石伊里石>蒙脱石；塑性指蒙脱石；塑性指数数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数结构：结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平水平﹥ ﹥ k垂直垂直；在微观结构上，当孔隙；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性图比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。

图3-113-11§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性24饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100饱和度的影响饱和度的影响流体粘滞性的影响流体粘滞性的影响温度高温度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大 封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可影响很大，可减少有效渗透面积，还可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道（（2）流体特性的影响）流体特性的影响§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性（（3）土的构造）土的构造254.4.渗透系数渗透系数k k的经验确定方法的经验确定方法P71§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性265.5.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数ü确立各层的确立各层的kmü考虑渗流方向考虑渗流方向天然土层多呈层状天然土层多呈层状§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性27H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :等效渗透系数等效渗透系数: :qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性(3-20)28H1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数: :(3-21)29Kx 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制Kz 倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制§§3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数§3.2 土的渗透性30§3.1 概述概述§3.2 土的渗透性土的渗透性§3.3 土中二维渗流及流网§3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章第三章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流31 §3.4.1 渗透力渗透力§Δh=0 Δh=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。

静水中，土骨架会受到浮力作用§Δh>0 Δh>0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力架产生一个摩擦、拖曳力§渗透力渗透力 j j ——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致h1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b§3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 渗透力渗透力/动水力：动水力： 单位体积土颗单位体积土颗粒所受到的渗流作粒所受到的渗流作用力32h1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土土粒粒渗渗 流流j§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制渗透力与浮力有何区别？渗透力与浮力有何区别？33h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = Lγγsatsat＝＝L(γγ  + γγw)P1 = = γγwhwP2 = = γγwh2R = ?R + P2 = W + P1R + γγwh2 = L(γ  + γw) + γγwhw R = γ  L 土水整体分析土水整体分析§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制34h1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = Lγγsatsat＝＝L(γγ  + γγw)P1 = = γγwhwP2 = = γγwh1R = ?R + P2 = W + P1R + γγwh1 = L(γγ  + γγw)+ γγwhw R = γγ  L－－ γγwΔhR = γ  L 渗流中的土体渗流中的土体§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制35h1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = γ  L－－ γγwΔhR = γ  L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗流的拖曳力水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = γγwΔh渗透力渗透力 j = J/V = γγwΔh/L = γγwij = γγwi§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制36h1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = γγ  L－－ γγwΔh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力梯度：临界水力梯度：i = Δh/L = γγ  /γγwicr = γγ / /γγwγγ  L－－ γγwΔh = 0§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制37P2WP1Rh1Δhh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+ Ww+ J  = P2水体的平衡条件水体的平衡条件j = γγwiγγwhw+ γγwL + j  L= γγwh1W’’JWwJ’’=R+P2P1P1 = = γγwhwP2 = = γγwh1Ww= Vvγw+ Vsγγw= Lγγw土水隔离分析土水隔离分析§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制38渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j = γγwi大小：大小：方向：方向：与与i方向一致（均质土与方向一致（均质土与渗流方向一致）渗流方向一致）作用对象：作用对象：土骨架土骨架§§3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力§3.4 渗透破坏与控制量纲：量纲：kN/m 3; 基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 §3.4 渗透破坏与控制§3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象40粘性土粘性土k1<

颗粒群发生悬浮、移动的现象渗流渗流原因：原因：§3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象§3.4 渗透破坏与控制临界水力梯度临界水力梯度Icr:使土发生流砂现象时的水力梯度使土发生流砂现象时的水力梯度Fs: 安全系数安全系数1.5～～2.0[ i ] : 允许水力梯度允许水力梯度i < icr :i = icr :i > icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态经验判断：经验判断：无压重时：无压重时：§3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象§3.4 渗透破坏与控制产生条件：产生条件： 防治措施：防治措施： 增大增大[ [i]i]：：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压§3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象§3.4 渗透破坏与控制43管管涌涌原因：原因：内因内因—— 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道成大于细粒径的孔隙通道外因外因——渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致流失；随着孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相流失；随着孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致在土中形成贯通的渗流管道，造成继被水流逐渐带走，最终导致在土中形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。

土体塌陷的现象管涌管涌破坏§3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制44§§3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制潜蚀：自然条件下产生的管涌现象潜蚀：自然条件下产生的管涌现象包括：机械潜蚀和化学潜蚀包括：机械潜蚀和化学潜蚀流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的无一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口§§3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制较均匀土较均匀土（（CuCu≤≤1010））管涌管涌几何条件几何条件水力条件水力条件一般发生在无粘性土中一般发生在无粘性土中级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗粒形成的孔隙粗粒形成的孔隙通道小于细粒径通道小于细粒径不均不均匀土匀土（（Cu>10Cu>10））不连续不连续连续连续D D0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量>35%>35%细粒含量细粒含量<25%<25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%D D0 0 < d d3 3D D0 0 > d d5 5D D0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土几何条件几何条件P(%)lgd骨架骨架充填料充填料P53d5d3§§3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制形成条件：形成条件：47水力条件：水力条件：i > icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌Cu > 20时时, icr =0.25-0.30 [i]=0.10-0.15苏联：苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降[i]0.15-0.250.1-0.2§§3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制 防治措施：防治措施： 土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降§§3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象§3.4 渗透破坏与控制49小结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数渗透力：渗透力：概念与计算概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件，防治类型，条件，防治第三章 土的渗透性及渗流作业：作业：3-13-1、、3-23-2、、3-63-6、、3-83-8、、3-93-9、、3-103-10。