第二章土的滲透性

1、土的滲透性土的滲透性第二章第二章基本要求：基本要求：1.1.掌握達(dá)西定律掌握達(dá)西定律2.2.掌握滲透力的概念與計(jì)算掌握滲透力的概念與計(jì)算3.3.掌握兩種滲透變形破壞的機(jī)理掌握兩種滲透變形破壞的機(jī)理概概 述述滲透滲透：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用，水就會(huì)透過土體孔隙而發(fā)生孔隙水位差的作用，水就會(huì)透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。內(nèi)的流動(dòng)。土的滲透性土的滲透性：土具有被水透過的性能。土具有被水透過的性能。滲流滲流：液體在土孔隙或其他透水性介質(zhì)中的流動(dòng)液體在土孔隙或其他透水性介質(zhì)中的流動(dòng)問題。問題。土的滲透問題是指由于水的滲透引起土體土的滲透問題

2、是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。定性或產(chǎn)生有害變形的問題。伯努利定理伯努利定理水頭的定義為：水頭的定義為：zpgvhw22當(dāng)水在土中滲流時(shí)，其速度很慢，可忽略速度當(dāng)水在土中滲流時(shí)，其速度很慢，可忽略速度引起的水頭項(xiàng)，得出：引起的水頭項(xiàng)，得出：zphw滲流基本概念滲流基本概念A(yù),B兩點(diǎn)的水頭差為：兩點(diǎn)的水頭差為：)()(BwBAwABAzpzphhhLhi則水力梯度為則水力梯度為 水力梯度水力梯度: :單位流程單

3、位流程總水頭的變化總水頭的變化滲透模型2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 二二. . 滲透試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律達(dá)西定律試驗(yàn)前提：試驗(yàn)前提：層流層流h，Q A，Q L， QLhAQ 斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降A(chǔ)Qv Lhi iv 1.1.滲透試驗(yàn)滲透試驗(yàn)2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h1，A，L=const量測變量量測變量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2.2. 達(dá)西定律達(dá)西定律ikv 滲透定律2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2

4、 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。二二. . 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律iv 注意：注意：k: k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時(shí)的滲流速度時(shí)的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day滲流量為：滲流量為：kiAvAQ2. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律2.1 2

5、.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 二二. . 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 適用條件適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土重的粘性土 兩種特例兩種特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測

6、定及影響因素 室內(nèi)試驗(yàn)測定方法室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1. 1. 測定方法測定方法2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1 1常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法結(jié)果整理結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如

7、圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h，A，L=const量測變量量測變量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAQLk適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土V常水頭滲透試驗(yàn)裝置2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h變化變化，A，L=const量測變量量測變量: : h ，t透水性較小的粘性土透水性較小

8、的粘性土常水頭法僅適用于：常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土tt+ t2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理結(jié)果整理:理論依據(jù)理論依據(jù): :t時(shí)刻：時(shí)刻： htdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21hht0

9、hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 選擇幾組選擇幾組h1, h2, t ，計(jì)算相應(yīng)的，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件條件已知已知測定測定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAQLk 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1. 1. 測定方法測定方法三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值

10、不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 野外測定方法野外測定方法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 1. 1. 測定方法測定方法三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層觀察井觀察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ21

11、2212 212212hh)r/rln(Qk 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：理論依據(jù)：2.k的影響因素 2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 1)土的粒度成分和礦物成分極配、粘土礦物2）土的結(jié)構(gòu)黃土具有豎向大孔隙3）土中氣體封閉氣泡4）滲透水的性質(zhì) 溫度高時(shí)水的粘滯系數(shù)增大，k就增大2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力 試驗(yàn)觀察h=0 h=0 靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。靜水中

12、，土骨架會(huì)受到浮力作用。h0 h0 水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力滲透力 G GD D 滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 滲透變形滲透變形滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b沿沿ab方向由力的平衡得：方向由力的平衡得：化簡后得：化簡后得：lzz21cos將將 帶入上式得：帶入上式得： ilHHlz

13、hzhww212211wT由作用力與反作用力的關(guān)系得動(dòng)水力：由作用力與反作用力的關(guān)系得動(dòng)水力：iTGwD2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 一一. . 滲透力滲透力動(dòng)水力的性質(zhì)動(dòng)水力的性質(zhì)物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力的拖曳力，它是體積力GD= wi大?。捍笮。悍较颍悍较颍号c滲流方向一致與滲流方向一致作用對(duì)象：作用對(duì)象：土骨架土骨架iTGwD2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 一一. . 滲透力

14、滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1RA=1R = L wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，支持力減少向上滲流存在時(shí)，支持力減少臨界水力坡降臨界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh = 0e1)1G(ws e11Giscr 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流砂流砂管涌管涌2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成

15、條件形成條件 防治措施防治措施 驗(yàn)證滲流力驗(yàn)證滲流力存在的流砂試驗(yàn)：存在的流砂試驗(yàn)：當(dāng)容器當(dāng)容器B B提升到一提升到一定高度，容器定高度，容器A A與與容器容器B B內(nèi)水位差達(dá)內(nèi)水位差達(dá)到一定值時(shí)，可以到一定值時(shí)，可以看到砂面出現(xiàn)沸騰看到砂面出現(xiàn)沸騰那樣的景象，這種那樣的景象，這種現(xiàn)象稱為流砂或浮現(xiàn)象稱為流砂或浮沖、砂沸。沖、砂沸。3.4.2 流砂或流砂現(xiàn)象流砂或流砂現(xiàn)象滲透變形可分為：流砂和管涌兩種基本形式。滲透變形可分為：流砂和管涌兩種基本形式。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體1.1. 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流砂流砂在向上的滲透作

16、用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象crii0JW 和土的密實(shí)程度有關(guān)eGiiscr112.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 滲流滲流原因：原因：1.1. 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 管涌管涌原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過

17、較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 2 土的滲透性和滲流問題土的滲透性和滲流問題 管涌管涌破壞1. 基本類型基本類型 流砂與管涌的比較流砂與管涌的比較 流砂流砂土體局部范圍的顆粒同時(shí)土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)發(fā)生移動(dòng)管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的一般發(fā)生在特定級(jí)配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較長破壞過程