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文檔簡介
土力學完整(wánzhěng)課件土的滲透性第一頁,共44頁。水在水頭(shuǐtóu)差作用下滲透:水透過(tòuɡuò)土體孔隙的現(xiàn)象滲透性:土允許(yǔnxǔ)水透過的性能稱為土的滲透性造成水量損失,影響工程效益引起滲透破壞,危及堤壩、建筑物安全本章將主要討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律,以及滲透力、滲透變形等問題?!?-1概述第二頁,共44頁。滲流(shènliú)量滲透(shèntòu)變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋(pūgài)浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流第三頁,共44頁。滲流(shènliú)量滲透(shèntòu)變形透水層(shuǐcénɡ)不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流第6次課第四頁,共44頁。透水層(shuǐcénɡ)不透水層天然(tiānrán)水面水井(shuǐjǐng)滲流漏斗狀潛水面Q第五頁,共44頁。滲流(shènliú)量原地下水位滲流(shènliú)時地下水位渠道(qúdào)滲流第六頁,共44頁。Teton壩損失:直接8000萬美元,起訴5500起,2.5億美元,死14人,受災(shòuzāi)2.5萬人,60萬畝土地,32公里鐵路原因(yuányīn):管涌土壩位于美國Idaho州Teton河上,防洪、灌溉、發(fā)電、旅游綜合利用,裝機16MW,最大壩高126.5m,壩頂長945m。建于1972-75年,75年11月開始蓄水,76年春洪水期間水位迅速(xùnsù)上升,達1.2m/d。6月5日上午11:55發(fā)生潰壩。下圖是現(xiàn)在的景象第七頁,共44頁。Teton壩1976年6月5日上午(shàngwǔ)10:30左右,下游壩面有水滲出并帶出泥土。第八頁,共44頁。Teton壩11:00左右(zuǒyòu)洞口不斷擴大并向壩頂靠近,泥水流量增加第九頁,共44頁。Teton壩11:30洞口繼續(xù)向上擴大,泥水(níshuǐ)沖蝕了壩基,主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水(níshuǐ)開始沖擊壩趾處的設(shè)施。第十頁,共44頁。11:50左右洞口擴大加速(jiāsù),泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。Teton壩第十一頁,共44頁。11:57壩坡坍塌(tāntā),泥水狂瀉而下Teton壩第十二頁,共44頁。12:00過后(guòhòu)坍塌口加寬Teton壩第十三頁,共44頁。洪水掃過下游(xiàyóu)谷底,附近所有設(shè)施被徹底摧毀Teton壩第十四頁,共44頁。失事(shīshì)現(xiàn)場目前的狀況Teton壩第十五頁,共44頁。§2-2達西定律(dìnglǜ)1856年法國學者達西對砂土的滲透性進行(jìnxíng)研究結(jié)論(jiélùn):(水在土中的)滲透速度與水力梯度成正比。v=ki達西定律水頭梯度,即沿滲流方向單位距離的水頭損失
一、達西定律的內(nèi)容水頭梯度又稱水力梯度、水力坡降。第十六頁,共44頁。二、達西定律(dìnglǜ)適用范圍達西定律討論(tǎolùn):砂土中的滲透速度與水頭(shuǐtóu)梯度呈線性關(guān)系密實的黏土,需要克服結(jié)合水膜的黏滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水頭梯度呈非線性關(guān)系。
ib起始水力坡降虛直線簡化達西定律適用于層流,不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實黏土第十七頁,共44頁。水頭(shuǐtóu):單位重量的水所具有的能量。水力(shuǐlì)梯度(坡降)總水頭(shuǐtóu)線總水頭=勢水頭+壓力水頭+動水頭第十八頁,共44頁。三、滲透系數(shù)及其確定(quèdìng)方法滲透(shèntòu)試驗(室內(nèi))時間(shíjiān)t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變適用于透水性大(k>10-3cm/s)的土,例如砂土。
Δh第十九頁,共44頁。2.變水頭(shuǐtóu)試驗————整個試驗過程水頭(shuǐtóu)隨時間變化截面面積a任一時刻t的水頭(shuǐtóu)差為h,經(jīng)時段dt后,細玻璃管中水位降落dh,在時段dt內(nèi)管內(nèi)減少的水量dV=-adh
在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣(shìyànɡ)的水量dV=kiAdt=kAh/Ldt
管內(nèi)減少水量=流經(jīng)試樣水量
-adh=kAh/Ldt
分離變量積分適用于透水性差,滲透系數(shù)小的黏性土
第二十頁,共44頁。四、影響(yǐngxiǎng)滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小(dàxiǎo)與級配細粒含量愈多,土的滲透性愈小,例如砂土(shātǔ)中粉粒及黏粒含量愈多時,砂土(shātǔ)的滲透系數(shù)就會大大減小。2.土的密實度
3.水的溫度
同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù),土的密實度增大,孔隙比降低,土的滲透性也減小。水溫愈高,水的動力黏滯系數(shù)愈小,土的滲透系數(shù)則愈大。常以水溫為10°C時k10作為標準值。4.土中封閉氣體含量
土中封閉氣體阻塞滲流通道,使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多,土的滲透性愈小。T、10分別為T℃和10℃時水的動力黏滯系數(shù),可查表第二十一頁,共44頁。五、成層土的滲透系數(shù)1.水平(shuǐpíng)滲透系數(shù)通過整個(zhěnggè)土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和達西定律(dìnglǜ)整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)
平均滲透系數(shù)即為厚度加權(quán)平均值在z軸方向取1延米土體來分析第二十二頁,共44頁。2.豎直(shùzhí)滲透系數(shù)根據(jù)滲透水流連續(xù)條件,通過(tōngguò)整個土層的滲流量等于通過(tōngguò)各土層的滲流量豎直(shùzhí)滲透系數(shù)第j層土的水力坡降為ij,總的水力坡降為i
總水頭損失等于各層水頭損失之和
整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)
(2)(3)(2)式代入(3)式整理后,得(1)第二十三頁,共44頁。例題(lìtí)分析【例】設(shè)做變水頭滲透(shèntòu)試驗的黏土試樣的截面積為30cm2,厚度為4cm,滲透(shèntòu)儀細玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm,試驗開始時的水位差為160cm,經(jīng)時段15分鐘后,觀察得水位差為52cm,試驗時的水溫為30℃,試求試樣的滲透(shèntòu)系數(shù)【解】已知試樣(shìyànɡ)截面積A=30cm2,滲徑長度L=4cm,細玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm,h2=52cm,△t=900s
試樣在30℃時的滲透系數(shù)
第二十四頁,共44頁?!?-3滲透(shèntòu)力與滲透(shèntòu)變形一、滲透力和臨界(línjiè)水力坡降1.滲透力GD——滲透水流作用在單位體積(tǐjī)土體中土顆粒上的力。其方向與滲流方向一致,單位:kN/m3。又稱動水力或滲流力h2h1h21L水流流經(jīng)這段土體,受到土顆粒的阻力T,T為滲透力GD的反作用力.水在土體中流動時要受到土粒的阻力作用,反過來土粒也必然作用著一個反作用力,這就是滲透力。第二十五頁,共44頁。以長度(chángdù)L范圍內(nèi)的水體作為脫離體P1P2TAL由脫離(tuōlí)體靜力平衡條件有特別注意:GD是體積力,作用在土粒骨架(gǔjià)上,方向與滲流方向一致。第二十六頁,共44頁。滲透力的存在,將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化,這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致,促使土體壓密、強度(qiángdù)提高,有利于土體穩(wěn)定滲流方向(fāngxiàng)近乎水平,使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢,對穩(wěn)定不利滲流(shènliú)力與重力方向相反,當滲透力大于土體的有效重度,土粒將被水流沖出第二十七頁,共44頁。2.臨界(línjiè)水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降當滲透水流自下而上時,如滲透力與土顆粒(kēlì)的重力相等,則土顆粒(kēlì)處于懸浮狀態(tài),這時的水力坡降即為臨界水力坡降。在工程計算中,將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2~3),作為允許水力坡降[i]。設(shè)計時,為保證建筑物的安全,將滲流逸出處(chūchǔ)的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)GD或第二十八頁,共44頁。二、滲透(shèntòu)變形滲透水流將土體中的細顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動,導致土體變形—————滲透變形問題(wèntí)(流土,管涌)1.流土——在滲流作用下,局部土體表面隆起(lónɡqǐ),或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流逸出口,不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象,屬于流土破壞。細砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞第二十九頁,共44頁。2.管涌——在滲流作用下,土中的細小顆粒穿過較大顆粒間的孔隙發(fā)生(fāshēng)移動并被帶出的現(xiàn)象。土體在滲透水流作用下,細小顆粒被帶出,孔隙逐漸增大,形成能穿越土體的細管狀滲流通道,掏空地基(dìjī)或堤壩,使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部,也可以發(fā)生在滲流出口處。它的發(fā)生一般有個時間過程,是一種漸進性的破壞。第三十頁,共44頁。3.流土與管涌的判別——滲透變形的形式(xíngshì)與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)。黏性土由于粒間具有黏聚力,黏結(jié)較緊,一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞;一般認為不均勻系數(shù)(xìshù)Cu<10的勻粒砂土,在一定的水力梯度下,局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞。對Cu>10的砂和礫石、卵石(luǎnshí),分兩種情況:1.當孔隙中細粒含量較少(小于30%)時,由于阻力較小,只要較小的水力坡降,就易發(fā)生管涌;2.如孔隙中細粒含量較多,以至塞滿全部孔隙(此時細料含量約為30%-35%),此時的阻力最大,一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象。第三十一頁,共44頁。三、例題(lìtí)分析【例】某土壩地基土的土粒相對密度Gs=2.68,孔隙比e=0.82,下游滲流出口處經(jīng)計算得水力坡降i為0.2,若取安全系數(shù)(ānquánxìshù)Fs為2.5,試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞?!窘狻颗R界(línjiè)水力坡降由于實際水力坡降i=0.2<[i],故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞。允許水力坡降第三十二頁,共44頁?!?-4滲流工程(gōngchéng)問題與處理措施一、滲流工程(gōngchéng)問題1.地下水的浮托作用(zuòyòng)
地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力,并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力
2.地下水的潛蝕作用
在施工降水等過程中產(chǎn)生水頭差,在滲流作用下發(fā)生管涌,將細顆粒沖走,破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細砂、粉土地層中。
3.流砂
流砂在工程施工中能造成大量的土體流動,使地表塌陷或建筑物的地基破壞,給施工帶來很大的困難,影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細砂地層中產(chǎn)生,在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)。第三十三頁,共44頁。4.基坑(jīkēnɡ)突涌當基坑下部有承壓水層時,開挖基坑減小了底板隔水層的厚度,當隔水層較薄經(jīng)受不住(bùzhù)承壓水頭壓力,承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板,這種現(xiàn)象稱為基坑突涌。第三十四頁,共44頁。二、防滲處理(chǔlǐ)措施1.水工(shuǐɡōnɡ)建筑物滲流處理措施水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則,上游截滲、延長滲徑,下游則保證滲流通暢,減小滲透壓力(yālì),防止?jié)B透變形。①垂直截滲
主要目的:延長滲徑,降低上、下游的水力坡度。若垂直截滲能完全截斷透水層,防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲。
第三十五頁,共44頁。②設(shè)置(shèzhì)水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋,與壩體防滲體連接,延長了水流(shuǐliú)滲透路徑。黏土鋪蓋③設(shè)置(shèzhì)反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)置反濾層,既可通暢水流,又起到保護土體、防止細粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無黏性土組成,也可由土工布代替,上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層。
第三十六頁,共44頁。④排水減壓(jiǎnyā)黏性土含水層減壓井為減小下游滲透壓力,在水工建筑物下游、基坑開挖(kāiwā)時,設(shè)置減壓井或深挖排水槽第三十七頁,共44頁。2.基坑(jīkēnɡ)開挖防滲措施①工程(gōngchéng)降水采用明溝(mínggōu)排水和井點降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)(外)設(shè)置排水溝、集水井,用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出。原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水要求地下水位降得較深,采用井點降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點,從井中抽水降低水位。第三十八頁,共44頁。②設(shè)置(shèzhì)板樁沿坑壁打入板樁,它一方面可以加固(jiāɡù)坑壁,同時增加了地下水的滲流路徑,減小水力坡降。鋼板樁③水下(shuǐxià)挖掘在基坑或沉井中用機械在水下挖掘,避免因排水而造成可能導致流砂的水頭差。為了增加砂的穩(wěn)定性,也可向基坑中注水,并同時進行挖掘。第三十九頁,共44頁。達西定律(dìnglǜ)1856年法國學者達西對在工程計算中,將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2~3),作為允許水力坡降[i]。整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)在基坑內(nèi)(外)設(shè)置排水溝、集水井,用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出。第二十四頁,共44頁。渠道(qúdào)滲流四、影響(yǐngxiǎng)滲透系數(shù)的因數(shù)達西定律(dìnglǜ)臨界(línjiè)水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降正交性:流線與等勢線必須(bìxū)正交砂土中的滲透速度與水頭(shuǐtóu)梯度呈線性關(guān)系常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變第三十六頁,共44頁。砂土中的滲透速度與水頭(shuǐtóu)梯度呈線性關(guān)系dV=kiAdt=kAh/Ldt§
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