lecture02s_土的滲透性與土中滲流

1、12第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 第第4節(jié)節(jié) 有效應力原理有效應力原理 第第5節(jié)節(jié) 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 第第6節(jié)節(jié) 二維滲流和流網二維滲流和流網3碎散性碎散性多孔介質多孔介質三相體系三相體系孔隙流體流動孔隙流體流動滲流滲流滲透性滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質土具有被水、氣等液體透過的性質強度特性強度特性變形特性變形特性非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差能量差水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象 概概

2、 述述 概述概述 4土體中的滲流土體中的滲流土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流n 土是一種碎散的多孔介質，土是一種碎散的多孔介質，其孔隙在空間互相連通。當其孔隙在空間互相連通。當飽和土中的兩點存在能量差飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能時，水就在土的孔隙中從能量高的點向能量低的點流動量高的點向能量低的點流動F 水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流滲流F 土具有被水等液體透過的性質稱為土的土具有被水等液體透過的性質稱為土的滲透性滲透性 概概 述述 5 滲流量？滲流量？滲透變形滲透變形?石壩石壩浸潤線浸潤線透水層透水層 概概 述述 滲透壓力？滲透壓力？6滲透壓力

3、？滲透壓力？滲流量？滲流量？滲透變形？滲透變形？透水層透水層基坑基坑板樁墻板樁墻 概概 述述 7滲流滲流量量滲透變滲透變形形滲透壓滲透壓力力滲流滑滲流滑坡坡土的滲透性及滲透規(guī)律土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網二維滲流及流網滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形水頭梯度水頭梯度土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析 概概 述述 8土的滲透性土的滲透性 一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降二滲透試驗與達西定律二滲透試驗與達西定律三滲透系數(shù)的測定及影響因素三滲透系數(shù)的測定及影響因素能量方程能量方程滲流速度的規(guī)律滲流速度的規(guī)律滲透特性滲透特性四層狀地基的等效滲透系數(shù)四層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)地基

4、的滲透系數(shù) 概概 述述 9第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 第第4節(jié)節(jié) 有效應力原理有效應力原理 第第5節(jié)節(jié) 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 第第6節(jié)節(jié) 二維滲流和流網二維滲流和流網10一、滲流中的水頭與水力坡降一、滲流中的水頭與水力坡降ABL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑 達達 西西 定定 律律 11ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準面基準面wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi z：位置水頭：位置水頭 達達 西西 定定 律律

5、12二、滲透試驗與達西定律二、滲透試驗與達西定律試驗前提：試驗前提：層流層流LhAq斷面平均流速斷面平均流速水力梯度水力梯度Aqv Lhi iv 1.1.滲透試驗滲透試驗試驗結果試驗結果試驗裝置試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h1，A，L=const量測變量量測變量: : h2，V，Th=h1-h2q=V/T 達達 西西 定定 律律 132. 2. 達西定律達西定律ikv nvvvs 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，并與土的性質有關。的一次方成正比，并與土的性質有關。iv AAnv V V：假想滲流速度，土體試樣

6、全斷面的平均滲流速度：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度V Vs s：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A AvqVA VsAvk k: : 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)滲透系數(shù)物理意義：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day 達達 西西 定定 律律 14粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達西定律礫石類土中的滲流不符合達西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0

7、.3-0.5cm/sivovcrivi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土及砂性較重的粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 達達 西西 定定 律律 15第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 第第4節(jié)節(jié) 有效應力原理有效應力原理 第第5節(jié)節(jié) 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 第第6節(jié)節(jié) 二維滲流和流網二維滲流和流網16一、滲透系數(shù)的測定及影響因素一、滲透系數(shù)的測

8、定及影響因素 室內試驗測定方法室內試驗測定方法常水頭試驗法常水頭試驗法變水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔抽水試驗井孔注水試驗井孔注水試驗1. 1. 測定方法測定方法野外試驗測定方法野外試驗測定方法 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 室內試驗方法室內試驗方法- -常水頭試驗法常水頭試驗法n 試驗條件試驗條件: : h，A，L=constn 量測變量量測變量: 體積體積V，tn 適用土類：透水性較大的砂性土適用土類：透水性較大的砂性土i=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk hL土樣土樣AVQ 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -室內常水頭試驗室內常水頭試驗 室內試驗方法室內試驗方法- -變

9、水頭試驗法變水頭試驗法n 試驗條件試驗條件: :h變化變化 A，a，L=constn 量測變量量測變量: h，tn 適用土類：透水性較小適用土類：透水性較小 的粘性土的粘性土土樣土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭水頭測管測管開關開關a 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -室內變水頭試驗室內變水頭試驗 土樣土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭水頭測管測管開關開關在在tt+dt時段內：時段內： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt21hht0h

10、dhkAaLdt21hhkAaLtlnhdhtt+dt室內試驗方法室內試驗方法- -變水頭試驗法變水頭試驗法21hhAtaLkln選擇幾組量測結果選擇幾組量測結果 ，計算相應的，計算相應的k，取平均值，取平均值 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -室內變水頭試驗室內變水頭試驗 室內試驗方法室內試驗方法小結小結常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定公式公式取值取值h=consth變化變化h，A，LV，t重復試驗后，取均值重復試驗后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAVLk 不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 滲透系數(shù)

11、的測定滲透系數(shù)的測定- -室內試驗方法小結室內試驗方法小結 現(xiàn)場測定法抽水試驗現(xiàn)場測定法抽水試驗抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層n 試驗條件試驗條件: : Q=constn 量測變量量測變量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù) 缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長觀察井觀察井滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -現(xiàn)場抽水試驗現(xiàn)場抽水試驗 212212hhrrQk)/ln()(ln212212hhkrrQA=2 rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQn 計算公式

12、：計算公式：r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層dhdrh地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面現(xiàn)場測定法抽水試驗現(xiàn)場測定法抽水試驗滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -現(xiàn)場抽水試驗現(xiàn)場抽水試驗 23滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 土的性質土的性質水的性質水的性質l水的動力粘滯系數(shù)（水溫）水的動力粘滯系數(shù)（水溫）l飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 對對k k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 n 是土中孔隙直徑大小的主要影是土中孔隙直徑大小的主要影響因素響因素n 因由粗顆粒形成的大孔隙可被因由粗顆粒形成

13、的大孔隙可被細顆粒充填，故土體孔隙的大細顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細顆粒所控制。因此小一般由細顆粒所控制。因此，土的滲透系數(shù)常用有效粒徑，土的滲透系數(shù)常用有效粒徑d10來表示，如哈臣公式：來表示，如哈臣公式：210dck 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的影響因素 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 n 是單位土體中孔隙體積的直接是單位土體中孔隙體積的直接度量度量n 對于砂性土，常建立孔隙比對于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數(shù)與滲透系數(shù)k之間的關系，如之間的關系，如：)e

14、1e(fk)e1e(fk)e(fk322滲透系數(shù)的影響因素 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 n 對粘性土，影響顆粒的表面力對粘性土，影響顆粒的表面力n 不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高極大，其滲透性大小的次序為高嶺石嶺石伊里石伊里石蒙脫石蒙脫石 ；當粘土；當粘土中含有可交換的鈉離子越多時，中含有可交換的鈉離子越多時，其滲透性將越低其滲透性將越低n 塑性指數(shù)塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大綜合反映土的顆

15、粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)參數(shù)滲透系數(shù)的影響因素 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 n 影響孔隙系統(tǒng)的構成和方向性影響孔隙系統(tǒng)的構成和方向性，對粘性土影響更大，對粘性土影響更大n 在宏觀構造上，天然沉積層狀在宏觀構造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n 在微觀結構上，當孔隙比相同在微觀結構上，當孔隙比相同時，凝聚結構將比分

16、散結構具時，凝聚結構將比分散結構具有更大的透水性有更大的透水性滲透系數(shù)的影響因素 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 飽和曲線飽和曲線含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w滲透系數(shù)滲透系數(shù) k絮狀結構絮狀結構 分散結構分散結構滲透系數(shù)的影響因素 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 滲透系

17、數(shù)的影響因素 n 水的動力粘滯系數(shù)：水的動力粘滯系數(shù)： 溫度溫度 ，水粘滯性，水粘滯性 ，k n 飽和度（含氣量）：封閉氣飽和度（含氣量）：封閉氣泡對泡對k影響很大，可減少有效影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性質土的性質 水的性質水的性質 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結構結構滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素 30 分析下表的滲透系數(shù)值分析下表的滲透系數(shù)值: 可見：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大可見：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大 滲透系數(shù)參考值滲透系數(shù)參考值 滲透系數(shù)的測定

18、十分重要滲透系數(shù)的測定十分重要滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定- -滲透系數(shù)參考值滲透系數(shù)參考值 層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù) 確立各層土的確立各層土的ki 根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀多個土層用假想單一土層置換多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變，使得其總體的透水性不變 層狀地基的層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層不透水層等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : iixHkH1kkxn 已知條件已知條件: :Lhiiiixxqq

19、iHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 達西定律達西定律: :n 等效條件等效條件: :層狀地基的水平等效滲透系數(shù)層狀地基的水平等效滲透系數(shù) 層狀地基的層狀地基的水平等效滲透系數(shù)水平等效滲透系數(shù)層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)層狀地基的垂直等效滲透系數(shù) iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水承壓水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh iiiizkHvhhkvHn 已知條件已知條件: :n 達西定律達西定律: :n 等效條件等效條件: :v = kz (h / H )等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : 層狀地基的垂直層狀

20、地基的垂直等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)n 算例說明算例說明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按層厚加權平均，由較大值控制按層厚加權平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權平均，由較小值控制層厚倒數(shù)加權平均，由較小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)H1H2H3Hk1k2k3xz 層狀地基的層狀地基的等效滲透系數(shù)算例等效滲透系數(shù)算例35水平滲流情形水平滲流情形垂直滲流情形垂直滲流情形條件條件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121i

21、Hkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 36第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 第第4節(jié)節(jié) 有效應力原理有效應力原理 第第5節(jié)節(jié) 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 第第6節(jié)節(jié) 二維滲流和流網二維滲流和流網太沙基太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963)太沙基 土力學的奠基人1921-1923年提出土的有年提出土的有效應力原理和土的固結理效應力原理

22、和土的固結理論，論，1925年出版經典著作年出版經典著作土力學土力學，首次將各種，首次將各種土工問題歸納成為系統(tǒng)的土工問題歸納成為系統(tǒng)的有科學依據(jù)的計算理論，有科學依據(jù)的計算理論，奠定了他作為土力學創(chuàng)始奠定了他作為土力學創(chuàng)始人的地位人的地位 有效應力原理有效應力原理對所受總應力，骨架和孔隙對所受總應力，骨架和孔隙流體如何分擔？流體如何分擔？它們如何傳遞和相互轉化？它們如何傳遞和相互轉化？它們對土的變形和強度有何它們對土的變形和強度有何影響？影響？外荷載外荷載 總應力總應力 n 土體是由固體顆粒骨架、孔隙流土體是由固體顆粒骨架、孔隙流體（水和氣）三相構成的碎散材體（水和氣）三相構成的碎散材料，受

23、外力作用后，料，受外力作用后，總應力由土總應力由土骨架和孔隙流體共同承受骨架和孔隙流體共同承受Terzaghi的有效應力原理和固結理論的有效應力原理和固結理論有效應力原理有效應力原理 有效應力原理有效應力原理外荷載外荷載 總應力總應力 飽和土中的應力形態(tài)飽和土中的應力形態(tài)n 飽和土是由固體顆粒骨架和充滿飽和土是由固體顆粒骨架和充滿其間的水組成的兩相體。受外力其間的水組成的兩相體。受外力后，后，總應力分為兩部分承擔：總應力分為兩部分承擔：F由土骨架承擔，并通過顆粒之間由土骨架承擔，并通過顆粒之間的接觸面進行應力的傳遞，稱之的接觸面進行應力的傳遞，稱之為為粒間應力粒間應力F有由孔隙水來承擔，通過連

24、通的有由孔隙水來承擔，通過連通的孔隙水傳遞，稱之為孔隙水傳遞，稱之為孔隙水壓力孔隙水壓力?？紫端荒艹袚魬Γ艹锌紫端荒艹袚魬?，但能承受法向應力受法向應力 有效應力原理有效應力原理外荷載外荷載 總應力總應力 AaaPsv接觸點接觸點PsA A：A Aw w：A As s：土單元的斷面積土單元的斷面積顆粒接觸點的面積顆粒接觸點的面積孔隙水的斷面積孔隙水的斷面積u wsvAuPA a-aa-a斷面豎向力平衡：斷面豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv 有效應力有效應力 1飽和土有效應力原理飽和土有效應力原理 有效應力原理有效應力原理飽和土的有效應力原理飽和土的有效應力原理F飽和土體內

25、任一平面上受到的總應力可分為兩部飽和土體內任一平面上受到的總應力可分為兩部分分 和和u u，并且：，并且：F土的變形與強度都只取決于有效應力土的變形與強度都只取決于有效應力u 有效應力有效應力總應力已知或易知總應力已知或易知孔隙水壓測定或計算孔隙水壓測定或計算u 有效應力原理有效應力原理有效應力原理有效應力原理 孔隙水壓孔隙水壓力的作用力的作用 有效應力有效應力的作用的作用 它在各個方向相等，只能使土顆粒它在各個方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，不會使土顆粒本身受到等向壓力，不會使土顆粒移動，導致孔隙體積發(fā)生變化。由移動，導致孔隙體積發(fā)生變化。由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒于顆粒本身壓

26、縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小本身壓縮變形極小 水不能承受剪應力，對土顆粒間摩水不能承受剪應力，對土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻擦、土粒的破碎沒有貢獻 因而孔隙水壓力對變形強度沒有直因而孔隙水壓力對變形強度沒有直接影響，稱為中性應力接影響，稱為中性應力 有效應力原理有效應力原理有效應力原理有效應力原理 孔隙水壓孔隙水壓力的作用力的作用 有效應力有效應力的作用的作用 是土體發(fā)生變形的原因：是土體發(fā)生變形的原因：顆粒間克服摩擦相對滑移、顆粒間克服摩擦相對滑移、滾動以及在接觸點處由于滾動以及在接觸點處由于應力過大而破碎均與應力過大而破碎均與有有關關 是土體強度的成因：土的是土體強度的成因：土的

27、凝聚力和粒間摩擦力均與凝聚力和粒間摩擦力均與有關有關 有效應力原理有效應力原理有效應力原理的討論有效應力原理的討論 討論討論討論：討論：海底與地面土粒間的接觸海底與地面土粒間的接觸壓力哪一種情況下大？壓力哪一種情況下大？1mz=u=0.01MPa104mz=u=100MPa 有效應力原理有效應力原理sat H H1 1H H2 2地面地面地下水位地下水位自重應力情況自重應力情況n 靜水條件：靜水條件：地下水位地下水位 總應力：單位土柱總應力：單位土柱和水柱的總重量和水柱的總重量 = H1+ satH2 孔隙水壓力：凈水壓強孔隙水壓力：凈水壓強u = wH2 有效應力：有效應力： = -u =

28、H1+( sat- w)H2 = H1+ H2 = =-u-uu=u= w wH H2 2u=u= w wH H2 2 H H1 12sat1HH A（-) 有效應力原理有效應力原理2sat1HH H H1 1地面地面A地下水位地下水位自重應力情況自重應力情況n 靜水條件：靜水條件：水位下降水位下降 總應力：總應力： = H1+ satH 2 孔隙水壓力：孔隙水壓力： u = wH 2 有效應力：有效應力： = -u 地下水位下降會引起地下水位下降會引起 增大，土會產生壓縮，增大，土會產生壓縮，這是城市抽水引起地面這是城市抽水引起地面沉降的一個主要原因沉降的一個主要原因sat H H1 1H

29、H 2 2u=u= w wH H 2 2 = =-u-u(-)u=u= w wH H 2 2地下水位下降引地下水位下降引起起 增大的部分增大的部分 有效應力原理有效應力原理自重應力情況自重應力情況n 靜水條件：靜水條件：海洋土海洋土 總應力：單位土柱總應力：單位土柱和水柱的總重量和水柱的總重量 = wH1+ satH2 孔隙水壓力：凈水壓強孔隙水壓力：凈水壓強u = w(H1+H2) 有效應力：有效應力： = -u = H2sat w H H1 1H H2 2= -uu=u= w w(H(H1 1+H+H2 2) )地面地面水位水位2sat1wHH w wH H1 1Au=u= w w(H(H

30、1 1+H+H2 2) )(-) 有效應力原理有效應力原理自重應力情況自重應力情況n 穩(wěn)定滲流條件：穩(wěn)定滲流條件：Hh砂層（排水）砂層（排水） satsat向下滲流向下滲流Hh砂層砂層( (承壓水承壓水) )粘土層粘土層 satsat向上滲流向上滲流 有效應力原理有效應力原理自重應力情況自重應力情況n 穩(wěn)定滲流條件：穩(wěn)定滲流條件：向上滲流向上滲流AHh砂層砂層( (承壓水承壓水) ) satsat向上滲流向上滲流土水整體分析土水整體分析hHw 總應力：單位土柱總應力：單位土柱和水柱的總重量和水柱的總重量 = satH 孔隙水壓力：凈水壓強孔隙水壓力：凈水壓強u = w(H+ h) 有效應力：有

31、效應力： = -u = satH- wH- w h = H - w h滲透壓力，向上滲流使得有效應力減小滲透壓力，向上滲流使得有效應力減小 有效應力原理有效應力原理自重應力情況自重應力情況n 穩(wěn)定滲流條件：穩(wěn)定滲流條件：向下滲流向下滲流A土水整體分析土水整體分析hHw 總應力：總應力： = satH 孔隙水壓力：孔隙水壓力：u = w(H- h) 有效應力：有效應力： = -u = satH- wH+ w h = H + w hHh satsat向下滲流向下滲流砂層（排水）砂層（排水）滲透壓力，向下滲流使得有效應力增加滲透壓力，向下滲流使得有效應力增加可導致土層發(fā)生壓密變形，稱滲流壓密可導致土

32、層發(fā)生壓密變形，稱滲流壓密 有效應力原理有效應力原理51第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定 第第4節(jié)節(jié) 有效應力原理有效應力原理 第第5節(jié)節(jié) 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 第第6節(jié)節(jié) 二維滲流和流網二維滲流和流網52廣州京廣廣場基坑塌方廣州京廣廣場基坑塌方 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 九江大堤決口九江大堤決口1998年年8月月7日日13:10發(fā)生管涌險情，很快發(fā)生管涌險情，很快形成寬形成寬62m的潰口的潰口堤基管涌堤基管涌焦點詞匯：豆腐渣工程焦點詞匯：豆腐渣工程原因原因

33、 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲流力滲流力- -試驗觀察試驗觀察n h=0 h=0 靜水中，土骨靜水中，土骨架會受到浮力作用。架會受到浮力作用。n h0 h0 水在流動時，水在流動時，水流受到來自土骨架的水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產生一個摩水對土骨架產生一個摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh200hwL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器a b滲流力滲流力j：滲透作用中，孔隙水對土骨架：滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致的作用力，方向與滲流方向一致 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲流力滲流力- -試驗觀察試驗觀察h1hh200h

34、wL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器a b土粒土粒滲滲 流流滲流力滲流力 j j：體積力：體積力滲流力滲流力j j：單位土體內土骨架：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力所受到的滲透水流的拖曳力 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 截面積截面積A=1h200hwL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器ab滲流力滲流力- -受力分析受力分析WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整體受力分析土水整體受力分析- -靜水靜水 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲流力滲流力- -

35、受力分析受力分析截面積截面積A=1WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w hn 土水整體受力分析土水整體受力分析- -滲流滲流h1hh200hwL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器a b 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲流力滲流力- -受力分析受力分析R = L - w hn 土水整體受力分析土水整體受力分析- 對比對比h1hh200hwL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器a b 靜水中的土體靜水中的土體 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時，濾向上滲流存在時，濾網

36、支持力減少網支持力減少R = L 減少的部分由誰承擔？減少的部分由誰承擔？總滲流力：總滲流力： J=J= w w h hF 滲流力滲流力j j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力j = J/V = w h /L = wi 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 向上滲流存在時，濾網支持向上滲流存在時，濾網支持力減少。力減少。當濾網支持力為零當濾網支持力為零時的水力坡降稱為時的水力坡降稱為臨界水力臨界水力坡降坡降icr，它是土體開始發(fā)生，它是土體開始發(fā)生流土破壞時的水力坡降：流土破壞時的水力坡降：滲透力滲透力- -受力分析受力分析滲流力滲流力- -受力分析

37、受力分析R = L - w h=0n 臨界水力坡降臨界水力坡降h1hh200hwL土樣土樣濾網濾網貯水器貯水器a bicr = h/L = / we11Gws)(e11Giscr由于由于icr取決于土取決于土的物理性質的物理性質 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 = + WW Ww土水土水 = 土骨架土骨架 + 孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水隔離受力分析土水隔離受力分析滲流力滲流力- -受力分析受力分析滲滲R = L- w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W =L 總滲流力：總滲流力：J=Lj濾網的反力：濾網的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水壓

38、力：水壓力：P1= whw P2 = wh1總滲流力：總滲流力：J =J水重水重+浮力反力：浮力反力： Ww =Vv w+Vs w=L w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j = wi土骨架受力平衡土骨架受力平衡 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲流力的性質滲流力的性質F物理意義：物理意義：單位土體內土骨架所受到的單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力滲透水流的拖曳力，它是一種體積力F大?。捍笮。?j = j = w wi iF方向：方向：與水力坡降方向一致與水力坡降方向一致F作用對象：作用對象：土骨架土骨架 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 n土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)

39、的變形或土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞滲透破壞。滲透變形是土工。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型建筑物發(fā)生破壞的常見類型n基本類型：基本類型：管涌管涌 流土流土滲透破壞滲透破壞單一土層滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式的兩種基本型式 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 滲透變形滲透變形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的滲透作用下，表層局部范圍內的土體或顆的滲透作用下，表層局部范圍內的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流

40、土破壞力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流crii e11GiscrF 原因：原因：與土的密實度有關與土的密實度有關 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 壩體壩體滲透變形滲透變形 管涌管涌F 原因原因內因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙內因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大外因：滲透力足夠大 n 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道地表貫通的管

41、道滲流滲流過程演示過程演示1. 在滲透水流作用下，在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失的孔隙中移動流失2. 孔隙不斷擴大，滲流孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走顆粒也相繼被水帶走3. 形成貫穿的滲流通道形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷，造成土體塌陷 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動發(fā)生移動管涌管涌只發(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

42、致下游坡面產生局部滑動等導致下游坡面產生局部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷時后果后果土體內細顆粒通過粗粒形成土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內部和滲流可發(fā)生于土體內部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級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較長破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口導致結構發(fā)生塌陷或潰口 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 scrFiiiFs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降允許坡降F i icr :土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞n 工程設計：工程設計：流土可能性的判別流土可能性的判別n

43、在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：一水力條件，均要發(fā)生流土： 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 n 土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質：土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質： 粘性土（分散性土例外）屬于非粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土管涌土 無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的應的幾何條件幾何條件和和水力條件水力條件管涌可能性的判別管涌可能性的判別 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 較均勻土較均勻土（CuC

44、u 1010） 幾何條件幾何條件 水力條件水力條件n 無粘性土管無粘性土管涌的判別涌的判別級配級配孔隙及細粒孔隙及細粒判定判定非管涌土非管涌土粗顆粒形成的粗顆粒形成的孔隙小于細顆?？紫缎∮诩氼w粒不均不均勻土勻土（Cu10Cu10）不連續(xù)不連續(xù)連續(xù)連續(xù)d d0 0=0.25d=0.25d2020細粒含量細粒含量35%35%細粒含量細粒含量25%25%細粒含量細粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土過渡型土過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過渡型土過渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F發(fā)生管涌

45、的發(fā)生管涌的必要條件必要條件：粗顆：粗顆粒所構成的孔隙粒所構成的孔隙直徑大于細顆粒直徑大于細顆粒直徑直徑 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 幾何條件幾何條件 水力條件水力條件n 無粘性土管無粘性土管涌的判別涌的判別F 滲流力能夠滲流力能夠帶動細顆粒在孔帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動隙間滾動或移動。可用管涌臨界?？捎霉苡颗R界水力坡降表示水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土流土過渡過渡管涌管涌水力坡降水力坡降級配連續(xù)土級配連續(xù)土級配不連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降破壞坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降允許坡降 i0.15-0.250

46、.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）伊斯托敏娜（蘇）中國學者中國學者 Cu 20時時, icr =0.25-0.30， 考慮安全系數(shù)后：考慮安全系數(shù)后： i=0.10-0.15 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 透水層透水層不透水層不透水層防滲體防滲體壩體壩體浸潤線浸潤線滲透破壞的防治措施滲透破壞的防治措施 scrFiiiF減小減小i i：上游延長滲徑：上游延長滲徑 下游減小水壓下游減小水壓F增大增大i： 下游增加透水下游增加透水 蓋重蓋重 改善幾何條件：設反濾層等改善幾何條件：設反濾層等 改善水力條件：減小滲透坡降改善水力條件：減小滲透坡降n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌 滲流力和滲透破壞滲流力和滲透破壞 71第第2 2章章 土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流 第第1節(jié)節(jié) 概述概述 第第2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測定