課件-土的滲透及有效應(yīng)力原理

土的滲透及有效應(yīng)力原理土的滲透定律滲透系數(shù)及其確定方法飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理滲透變形及防治措施主要內(nèi)容土的滲透定律當(dāng)飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)向能量低的點(diǎn)流動(dòng)。滲流：在水頭差作用線，水透過土孔隙的現(xiàn)象。滲透性：土允許水等液體透過的性質(zhì)。滲透研究的內(nèi)容：1.滲流量。2.滲透變形(滲透破壞)3.滲流控制水頭：按照伯努里方程，液流中一點(diǎn)的總水頭由三部分組成：

1.位置水頭z

2.壓力水頭u/w

3.

流速水頭v2/2g水頭及水力坡降

1.水頭為了研究的方便，用水頭的概念來表征水的能量。由于土中滲流阻力大，流速v在一般情況下都很小，可以忽略。h=z

+

u/w

+v2/2g水力坡降:i=h/L

i稱為水力坡降，L為兩點(diǎn)間的滲流路徑。其物理意義：單位滲流長度上的水頭損失2.水力坡降總水頭表達(dá)式土的滲透定律達(dá)西定律達(dá)西根據(jù)對(duì)不同尺寸的圓筒和不同類型及長度的土樣所進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滲出量Q與圓筒斷面積A和水力坡降i成正比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)。即寫成等式為：上式稱為達(dá)西定律。式中，v－斷面平均滲透速度，單位mm/s或m/day；

k－反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為土的滲透系數(shù)。它相當(dāng)于水力坡降i＝1時(shí)的滲透速度，故其量綱與流速相同，mm/s或m/day。土的滲透定律注意：滲流流速v并不是土孔隙中水的實(shí)際平均流速。

定義實(shí)際平均滲流速度為vs，也稱滲透流速

達(dá)西定律的適用范圍

達(dá)西定律是描述層流狀態(tài)下滲透流速與水頭損失關(guān)系的規(guī)律，即滲流速度v與水力坡降i成線性關(guān)系只適用于層流范圍。在土木工程中，絕大多數(shù)滲流，無論是發(fā)生砂土中或一般的粘性土中，均介于層流范圍，故達(dá)西定律均可適用A>Avq＝VA＝VsAv為了研究的方便，滲流計(jì)算中均采用假想的平均流速，即滲流速度Vs是否是真實(shí)的流速？土的滲透定律影響滲透系數(shù)的因素

(1)土的粒度成分(粒徑大小與級(jí)配)和礦物成分的影響；

(2)土的結(jié)構(gòu)；

(3)土中氣體的影響；

(4)滲透水的性質(zhì)對(duì)滲透系數(shù)的影響蜂窩結(jié)構(gòu)絮狀結(jié)構(gòu)密實(shí)狀態(tài)疏松狀態(tài)滲透系數(shù)及其確定方法

k（cm/s）土類透水性評(píng)價(jià)102101.010-110-210-310-410-510-610-710-810-9很好均勻砂裂隙粘土好砂礫混合風(fēng)化粘土很細(xì)砂粉土帶夾層粘土不好幾乎不透水均勻粘土表3-2滲透系數(shù)k的一般范圍滲透系數(shù)及其確定方法滲透系數(shù)的測(cè)定

滲透系數(shù)k是一個(gè)代表土的滲透性強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，也是滲流計(jì)算時(shí)必須用到的一個(gè)基本參數(shù)。不同種類的土，k值差別很大。因此，準(zhǔn)確地測(cè)定土的滲透系數(shù)是一項(xiàng)十分重要的工作。

(1)滲透系數(shù)的測(cè)定方法

滲透系數(shù)的測(cè)定方法主要分實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定和野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定兩大類。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法目前在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定滲透系數(shù)k的試驗(yàn)方法很多，但從試驗(yàn)原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法現(xiàn)場(chǎng)研究場(chǎng)地的滲透性，進(jìn)行滲透系數(shù)k值測(cè)定時(shí)，常用現(xiàn)場(chǎng)并孔抽水試驗(yàn)或井孔注水試驗(yàn)的方法。

滲透系數(shù)及其確定方法常用于粗粒土，如粗、中砂和礫石等滲透系數(shù)大于10-4cm/s的土的滲透系數(shù)測(cè)定。其儀器設(shè)備簡圖見圖3-5（70型滲透儀）。為保證試樣的飽和，試樣首先宜真空飽和，試驗(yàn)用水為脫氣水。記錄一定時(shí)間間隔t的滲流量Q，并用下式計(jì)算滲透系數(shù)：（cm/s）式中：Q——時(shí)間t秒內(nèi)滲透水量，cm3；

L——相鄰測(cè)壓孔間試樣高度，cm；

A——試樣斷面積，cm2；

h——,平均水頭差，cm；h1

和h2見圖35。圖

常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)

滲透系數(shù)及其確定方法這種試驗(yàn)設(shè)備型式有多種，其基本原理如圖3-6所示。適用于細(xì)粒土，如粉細(xì)砂、粉土和粘土的滲透系數(shù)測(cè)定。試驗(yàn)前也宜用真空法飽和土試樣，試驗(yàn)中使用脫氣水。試驗(yàn)中，量水管水位、水力坡降、流速和流量都是隨時(shí)間變化的函數(shù)。根據(jù)達(dá)西定律，在任意時(shí)刻t的單位面積流量：圖變水頭滲透試驗(yàn)原理圖變水頭試驗(yàn)滲透系數(shù)及其確定方法

在dt時(shí)段中從管中流出試樣的水量：在dt時(shí)段中從管中流入試樣的水量：其中a為量水管內(nèi)部斷面積，dh為dt時(shí)段中量水管水位的變化量。對(duì)于穩(wěn)定滲流：在從t1到t2這一試驗(yàn)時(shí)段中，如管內(nèi)水位從h1降到h2，則有積分整理后得到：

或：

或：滲透系數(shù)及其確定方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)方法

與室內(nèi)試驗(yàn)相比，該法測(cè)定的滲透系數(shù)更接近工程的實(shí)際情況。但由于實(shí)際地基土層多為各向異性的且有分層或夾層的，故測(cè)得的滲透系數(shù)往往是一綜合平均值。此外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的費(fèi)用較高，所用時(shí)間也較長。井孔抽水試驗(yàn)是最常見的一種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，其原理見圖3-7。在相對(duì)不透水土層上有一較深厚均勻的透水層，抽水井孔直達(dá)不透水層。抽水時(shí)形成無壓的滲流，有自由的地下水滲流表面。當(dāng)抽水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，此漏斗形的地下水面保持不變。試驗(yàn)中需在距抽水井中心分別為r1和r2的距離處布置二觀測(cè)井，并測(cè)得井中水位面距不透水層的高度分別為h1和h2。滲透系數(shù)及其確定方法圖

在自由透水層中的井孔抽水試驗(yàn)

取以抽水井為中心、半徑為r、厚度為dr的薄圓筒，其地下水面以下高度為h，筒內(nèi)外表面水頭差為dh。則水力坡降薄圓筒側(cè)面積根據(jù)達(dá)西定律積分后得由此得滲透系數(shù)k的計(jì)算式：在已知土的滲透系數(shù)k的情況下，也可通過上式計(jì)算人工降水的降水深度。滲透系數(shù)及其確定方法滲透系數(shù)及其確定方法成層土的等效滲透系數(shù)(一)水平滲流水平滲流的特點(diǎn)：

(1)各層土中的水力坡降i＝(h/L)與等效土層的平均水力坡降i相同

(2)垂直x-z面取單位寬度，通過等效土層H的總滲流量等于各層土滲流量之和沿水平方向的等效滲透系數(shù)kh：將達(dá)西定律代入，即

(二)豎向滲流

豎直滲流的特點(diǎn)：

(1)根據(jù)水流連續(xù)原理，流經(jīng)等效土層的單位滲水量等于各土層的單位滲水量，即

(2)流經(jīng)等效土層H的總水頭損失h等于各層上的水頭損失之和，即

滲透系數(shù)及其確定方法將達(dá)西定律代入上式可得沿豎直方向的等效滲透系數(shù)飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理

飽和土體由土顆粒和孔隙水兩相組成。兩相中和兩相間存在著多種力的傳遞與相互作用，主要有：水與水之間力的傳遞—水壓力傳遞；顆粒之間通過接觸傳遞壓力；水與土顆粒的相互作用力。考慮飽和土中任一橫截面面積為A的水平斷面,其上作用著法向力P。該面積包括土粒接觸面積Ac(因粒間接觸面的方位是隨機(jī)的，故這里指與面積A平行的接觸總面積)和粒間孔隙面積A-Ac。（圖3-10）圖3-10顆粒間的接觸PP′AcAIIuu設(shè)由P在接觸面上引起的法向力為P′，在孔隙面積上的壓力為u，則可得豎向平衡方程：P=P′+(A-

Ac)u兩邊同除以A得：式中：

=P/A，為總應(yīng)力；，為面積A上的平均豎向粒間應(yīng)力，稱為有效應(yīng)力，即由土顆粒承受或傳遞的應(yīng)力；u為由孔隙水承受或傳遞的應(yīng)力，稱為孔隙水壓力；a=Ac/A,土粒接觸面積比。一般，土顆粒接觸面積很小，a

0.03≈0,故可不計(jì)。則有：此即Terzaghi(1923)所提出的飽和土的有效應(yīng)力原理

飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理由于土的強(qiáng)度取決于顆粒間的連接力和摩擦力，只有通過土顆粒接觸面?zhèn)鬟f的粒間應(yīng)力（即有效應(yīng)力），才能使土粒擠緊而引起土體變形。因此，土的強(qiáng)度和變形主要由土的有效應(yīng)力決定。須注意，有效應(yīng)力并非土顆粒間的真正接觸應(yīng)力，因而有效應(yīng)力只是一個(gè)表象的、虛擬的應(yīng)力。圖3-11靜水中土體的力的平衡在分析飽和土中應(yīng)力與力的傳遞時(shí)，可以取兩種隔離體：一種是將土顆粒＋孔隙水一起取為隔離體，這時(shí)孔隙水與顆粒間的相互作用力就成為內(nèi)力；另一種是將土中的土顆粒所形成的骨架單獨(dú)作為隔離體，這時(shí)要考慮顆粒間作用力以及孔隙水作用于土顆粒的力和顆粒本身自重之間力的平衡。現(xiàn)以圖3-11所示靜水中的飽和土為例，分析其力的平衡條件。飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理飽和土中應(yīng)力與力的傳遞R值也可以利用有效應(yīng)力原理計(jì)算求得在土試樣底部，總應(yīng)力：孔隙水壓力：有效應(yīng)力：紗網(wǎng)承擔(dān)的就是這部分有效應(yīng)力，即：（1）取（土骨架＋孔隙水）作隔離體。則作用在試樣上的豎向力有自重：；上部水壓力：下部水壓力：；下部紗網(wǎng)對(duì)土樣的支持力：R則可得平衡方程:

得

上式為下部紗網(wǎng)對(duì)土體的支持力，它是通過顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的，大小等于土粒自重扣除浮力，即用有效重度（浮重度）計(jì)算的土骨架自重飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理（2）取土的骨架作隔離體。則作用在骨架上的豎向力有土粒自重：；水對(duì)土粒的浮力：；下部紗網(wǎng)支持力R。考慮這三個(gè)豎向力的平衡，可得：

可見:無論是取土骨架＋孔隙水作為隔離體,還是取土的骨架作為隔離體,計(jì)算所得的紗網(wǎng)支持力R都是相等的。飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理滲透力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)h1＝h2時(shí)，土中水處于靜止?fàn)顟B(tài)，無滲流發(fā)生，貯水器向上提升，使h1＞h2，由于存在水頭差．土中產(chǎn)生向上的滲流。水頭差h是土體中滲流所損失的能量。能量損失說明土粒對(duì)水流給以阻力；反之．滲流必然對(duì)每個(gè)土顆粒有推動(dòng)、摩擦和拖曳的作用力，稱之為滲透力，可定義為每單位土體內(nèi)土顆粒所受的滲流作用力，用

j表示。飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理考慮水體隔離體的平衡條件，可得：故滲透力j=wi

滲透力是一種體積力，量綱與w相同。滲透力的大小和水力坡降成正比，其方向與滲流方向一致。

滲透力的計(jì)算飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理A滲流壓密滲透壓力:HΔh砂層，排水γsat地下水位下降，會(huì)在土層中產(chǎn)生朝下的滲流，從而使有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土層發(fā)生壓密變形，稱為滲流壓密。這是引起地面沉降的又一個(gè)原因。實(shí)質(zhì)上滲透力就是作用于土骨架上的有效應(yīng)力。滲流力-穩(wěn)定向下滲流AHΔh砂層，承壓水粘土層γsat滲透壓力:滲流力-穩(wěn)定向上滲流飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理

滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形，包括流土，管涌，及不同土層間的接觸滲透破壞。（1）流土——在向上滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。發(fā)生條件：i>icr流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。不同種類的土，發(fā)生流土的現(xiàn)象不完全相同：砂土—砂沸；粘土—表層某局部范圍的土體整體被抬起。滲透變形及防治措施滲透變形（2）