土力學-土的滲透性及滲流

1、第二章 土的滲透性及水的滲流一、土的滲透性permeability及土中滲流seepage1. 土的滲透性與工程的關系（1） 滲透變形（破壞）問題因滲流造成土體變形甚至破壞。（2） 滲流量的問題 土壩壩身、壩基、渠道等的滲漏水量估算； 基坑開挖滲水量及排水量計算； 水井供水量估算。（3） 滲流控制問題 Teton大壩，位于美國愛達荷州的東南部，為高93m的土壩。1976年6月5日該壩完成后第一次蓄水時即發(fā)生破壞，造成11人死亡及數(shù)百萬美元的損失。破壞是由右岸距壩頂約40m處的一個漏洞引起的。 滲透變形（破壞）問題 基坑開挖降水井點降水管井降水水頭 hydraulic head：單位重量的水所具

2、有的能量。wvhzhh2. 土的滲透定律 水 頭勢水頭靜水頭動水頭位置水頭壓力水頭速度水頭測壓管水頭2/ 2wzuvg孔隙水壓滲流速度土中滲流速度通常較小，可忽略，故有/whzuAhAzwAuLBhhBwuBz水力梯度（坡降）hydraulic gradientABhhhiLL總水頭線測壓管 piezometer tube單位流程的水頭損失。AB 土中滲流和水力梯度3. Darcy滲透定律/vq Ak i在層流sheet flow狀態(tài)下，有Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)法國工程師（Darcy ，1856）（1）試 驗（2）Darcy滲透定律平均

3、流速流量土的截面積滲透系數(shù)水力梯度Darcy滲透定律是計算分析土的滲流、滲透固結問題的重要基礎。vvn 滲流速度 seepage velocitya. 砂土及一般粘性土b. 礫以上的土且水力梯度較大時，形成紊流，故不適用。c. 粘性很強的致密粘土，修正為0()vkii（3）平均流速及滲流速度（4）Darcy定律的適用范圍qvA平均流速 discharge velocity土截面滲流為層流TQLkAt hQvAtTvk ihiLT20T20kk適用于砂土二、 滲透系數(shù)coefficient of permeability及測定方法（1）常水頭滲透試驗constant head permeabil

4、ity test由Darcy定律并有滲透系數(shù)溫度修正1. 滲透系數(shù)測定方法ad h 0T101ln()haLkA tth（2）變水頭滲透試驗 falling head permeability test()dQahd hh dQd hqadtdt hiLTvk iTa d hhkAdtL適用于粘性土 流速計算a d hvAdt 水力梯度由Darcy定律 滲透系數(shù)(3) 現(xiàn)場抽水試驗 pump test, permeability test222211ln()rqkhhrdhidr2qvrhvki2drqkhdhr適用于粗顆粒土水力梯度平均流速由Darcy定律水力梯度平均流速nv Lkh（4）滲

5、流速度測定試驗Lvt hiL適用于粗顆粒土水力梯度平均流速滲流速度vnvvki由Darcy定律D10 Hazen (1892)2. 滲透系數(shù)的影響因素（1）土顆粒的粒徑、級配和礦物成分2eekC D有效顆粒尺寸effective grain sizeb. 曲率系數(shù)Cu對滲透性的影響不大。a. 砂土的滲透性由其中的小顆?？刂艱5 Kenney (1984) 滲透系數(shù)d. 細粒土的滲透性與液體的極性有關。 （Mesri and Olson， 1971）水四氯化碳或苯c. 滲透系數(shù)：蒙脫石伊利石分散結構層狀土：xykk不飽和土中氣泡對滲透性的影響2020TTkk（2） 孔隙比或孔隙率3. 成層土的平

6、均滲透系數(shù) 水平滲流時總流量等于各土層流量之和 （各層的水力梯度相等）1mxjjjQk Hk Hii11mxjjjkk HH 豎直滲流時總水頭損失等于各土層水頭損失之和（各層的流量相等）11mmyjjjjjyyjyhi HHi HkvkvH 1/ymjjjHkHk將土層簡化為均質(zhì)土，便于計算三、 滲透力及臨界水力梯度b-ba-ahwahwbhLAwwawh Awwbwh AwwLAwwbwh AwwLAwwawh A?+wJwJhAwshAsLA孔隙水土顆粒滲流wJsJ1. 滲透力滲透力wJjiVwsJ JJ 滲透力seepage force土中滲流對土粒產(chǎn)生推動、摩擦、拖曳作用力。wRLAh

7、A()wRiLAcrwi 臨界水力梯度critical hydraulic gradient 有效應力effective stresswJjiVsRwshAsLA土顆粒J土顆粒之間的作用力。有效應力為0時對應的水力梯度。此時水將發(fā)生滲透破壞。2. 土的滲透破壞 流 土（流砂quick sand 、翻砂 boil sand） 在向上的滲流作用下，表面土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。 發(fā)生條件crii 要 求crs/iiF 管涌 piping 在滲流作用下，土中的細粒在粗粒形成的孔隙中移動以至流失孔隙增大，滲流速度增加粗粒流走貫通的水流通道土體塌陷。 發(fā)生條件（2）級配（1）無

8、粘性土10uC 且滿足一定的級配條件（3）水力梯度級配連續(xù) i = 0.150.25級配不連續(xù) i = 0.100.20水流的狀態(tài)不隨時間而變。四、二維穩(wěn)定滲流 steady seepage（1）連續(xù)方程的建立dxdzxqxxqdqzqzzqdqzx1xxx xqv dzk i dz ()xxxxxqdqk idi dzzz zqk i dx()zzzzzqdqk idi dx對穩(wěn)定流，流入量流出量流入微單元的水量（厚度為1）流出微單元的水量1. 二維穩(wěn)定滲流的連續(xù)方程對穩(wěn)定流，流入量流出量xzxxzzqqqdqqdq0 xxzzk di dzk di dxxhixzhiz22220 xzhh

9、kkxz22220hhxzxzkk數(shù)學上稱為Laplace 方程（調(diào)和方程 harmonic equation）Pierre Simon de Laplace17491827連續(xù) 方程水力梯度水 頭對各項同性土（3）勢方程和流方程22220 xzkhzx勢方程22220hhxz滲流與等勢線垂直xz Cauchy-Riemann方程22220 xz流方程（2）連續(xù)方程的解法 數(shù)學解析法 數(shù)值解法 試驗法（比擬法） 圖解法與之間滿足不透水層板樁或連續(xù)墻（4）連續(xù)方程的解及流網(wǎng) flow net流線2C等勢線1C邊 界邊 界邊 界邊 界流 槽（1）滿足滲流場的邊界條件。（2）等勢線與流線正交。（3）流網(wǎng)中四邊形網(wǎng)格沿等勢線和流線兩個方向邊長之比值相等（1）qk h 各流槽流量相等，且有3. 流網(wǎng)的應用（1）水頭計算18825mbhh 520mdbhhh 14.5mbz 9.0mdz 10.5mwbbbhhz11.0mwdddhhz不透水層板樁或連續(xù)墻8.014.59.59.018bd12344