第3章 土的渗透性.ppt

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1、第3章 土的渗透性,3-1 概 述,渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。,土的渗透性：土具有被水透过的性能。,三相系,多孔介质,孔隙流体,孔隙流体流动,能量差,浸润线,土石坝坝基坝身渗流,3-1 概 述,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,3-1 概 述,渗流量,渗流时地下水位,渠道渗流,3-1 概 述,渗流滑坡,3-1 概 述,渗透所引起的问题：,1. 水的问题；,2. 土的问题。,3-1 概 述,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,A,Av,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,3-3 渗透系数的测定

2、,（一）常水头法,一、试验室内测定渗透系数,3-3 渗透系数的测定,（二）变水头法,3-3 渗透系数的测定,一、试验室内测定渗透系数,二、现场测定渗透系数抽水法,3-3 渗透系数的测定,三、成层土的渗透系数,（一）渗流与层面平行,3-3 渗透系数的测定,（二）渗流与层面垂直,三、成层土的渗透系数,3-3 渗透系数的测定,（二）渗流与层面垂直,三、成层土的渗透系数,3-3 渗透系数的测定,3-4 二向渗流和流网的特征,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,3-4 二向渗流和流网的特征,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称

3、为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网。,二、流网及其特征,3-4 二向渗流和流网的特征,对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征： （1）流线与等势线彼此正交； （2）每个网格的长宽比为常数； （3）相邻等势线间的水头损失相等； （4）各流槽的渗流量相等。,二、流网及其特征,3-4 二向渗流和流网的特征,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流所引起的稳定问题： （1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题； （2） 整体稳定问题。,渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力、动水压力。,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,土粒对水流的总阻力Fs

4、,以网格中的孔隙水 为研究对象,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,沿水流方向力的平衡,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力，常以kN/m3计。,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,以网格中的整个土体（包括土粒与孔隙水)为研究对象,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流问题，两种力的组合： （1）土粒为考察对象；J，W （2）土体为考察对象；W, U,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,二、渗透变形,（一）渗透变形的形式,流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群

5、同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。,管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,二、渗透变形,3-5

6、 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,一般粘性土流土,无粘性土渗透变形的形式与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关。,过渡性土渗透变形的形式与土的密度有关。,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,1、流土型土的临界水力梯度,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,2、管涌型土的临界水力梯度,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（1）临界水力梯

7、度与不均匀系数的关系,3、临界水力梯度的试验资料,5 10 15 20 25 30 35 40,1.5 1.0 0.5 0,icr,Cu,流土,过渡,管涌,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（2）临界水力梯度与细料含量的关系,3、临界水力梯度的试验资料,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（3）临界水力梯度与渗透系数的关系,对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差；如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。,3、临界水力梯度的试验资料,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（1）减小水力梯度； （

8、2）在渗流逸出处加盖压重或设反滤层，或在建筑物下游设置减压井、减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。,（三）防止渗透变形的措施,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常以u表示。,一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力,把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。,把孔隙水应力和有效应力之和称为总应力。,A：,Aw：,As：,土单元的截面积,颗粒接触点的截面积,孔隙水的截面积,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力,二、在静水条件下水平面上的

9、孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,地下水位下降引起增大的部分,=-u,u=wh2,u=wh2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,（一）渗流方向由上向下,三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力,4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,（二）渗流方向由下向上,h,hw,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力,（二）渗流方向由

10、下向上,h,hw,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,三、在稳定渗流作用下下水平面上的孔隙水应力和有效应力,静水条件和渗流情况下的应力情况比较,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水应力即可由该点的测压管中的水柱高度(或称压力水头）乘以水的重度得到。,四、根据流网确定孔隙水应力,当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部分孔隙水应力称为静孔隙水应力；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力,通常将这一部分孔隙

11、水应力称为超静孔隙水应力。,注意：土体的超静孔隙水应力 除可由渗流产生以外，荷载 （动的或静的）也能够在土体 内引起超静孔隙水应力。,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,【例题33】如图所示，若地基上的土粒比重Gs为2.68，孔隙率n为38.0， 试求： （1）a点的孔隙水应力和有效应力；（2）渗流逸出处12是否会发生流土？ （3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,a点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低h=0.8m，从图中直接量得下游静水位至a点的高差 ha=10m，而超过下游静水位的高度应为

12、 ha=h-h8-0.87.2 m。 则a点测压管中的水位高度 hw ha+ ha= 10+7.2=17.2 m。 所以，a点的孔隙水应力为 u=whw=9.817.2=168.56 kPa,（1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N10，则相邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8m。,4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为 u= w ha=9.810=98 kPa 而由渗流引起的超静孔隙水应力为 u= w ha=9.8 7.2=70.56 kPa a点的总应力为 w h1+ sat (ha-h2),其中土的饱和重

13、度 satsat9.8= w1+(Gs-1)(1-n) 9.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 kN/m3 代入上式得总应力为 9.8 10+20 (10-2) =98+160=258 kPa 于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为 -u =258-168.56=89.44 kPa,4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,从图中直接量得网格1，2，3，4的平均渗径长度L=8 m，而任一网格上的水头损失均为h=0.8 m，则该网格的平均水力梯度为 i=h/L0.8/8=0.1 该梯度即近似代表地面12处的逸出梯度ie。 流土的临界水力梯度为 icr=(Gs-1)(

14、1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04ie 故渗流逸出处12不会发生流土现象。,（2）渗流逸出处12是否会发生流土？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,图中直接量得网格9，10，11，12的平均渗径长度L=5.0 m，两流线间的平均距离b=4.4 m，网格的水头损失h=0.8 m，所以 作用在该网格上的渗流力为 J w (h/ L)b Lw b h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m,（3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？,4-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,复习思考题,3-1 何谓达西定律，达西定律成立的条件有哪些？ 3-2

15、 实验室内测定渗透系数的方法有几种？它们之间又什么不同？ 3-3 流网有什么特征？ 3-4 渗透变形有几种形式？各有什么特征？ 3-5 什么是临界水力梯度？如何对其进行计算？ 3-6 孔隙水应力在静水条件下和在稳定渗流作用下有什么不同？如何利用流网确定渗流作用的孔隙水压力。,3-7 根据达西定律计算出的流速和土水中的实际流速是否相同？为什么？ 3-8 拉普拉斯方程是由哪两个基本定律推导出的？你认为土的透水系数是各向同性的吗？ 3-9 何谓流土？何谓管涌？产生流土和管涌的必要条件是什么？ 3-10 试草绘一个常水头的试验装置来说明达西定律。 3-11 渗透速度就是水在孔隙中流动的实际速度吗？,End of Chapter 3,70型渗透仪,南55渗透仪,流土,管涌,