土的基礎(chǔ)知識-土中水及其滲透（土力學課件）

任務5土中水及其滲透性要容內(nèi)主概述土的滲透性滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象

123土的毛細性4學習目標1.熟悉地下水滲透定律、滲透系數(shù)；2.熟悉土中水毛細現(xiàn)象；3.知道動水力及流砂現(xiàn)象。地下水滲透定律、滲透系數(shù)；土中水毛細現(xiàn)象。動水力及流砂現(xiàn)象。

重點難點5.1土中水的滲透性習容內(nèi)學土的滲透問題概述土中水的滲透性滲透系數(shù)及其確定方法123一、土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游滲透——自由水在水位差作用下，發(fā)生從土內(nèi)孔隙中透過的現(xiàn)象H隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動研究滲流主要解決兩類問題滲流量計算問題深基坑開挖排水問題研究滲流主要解決兩類問題滲流穩(wěn)定與滲流控制問題產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞，如道路邊坡破壞、堤壩失穩(wěn)、地面隆起等。二、土中水的滲透性結(jié)論

水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比達西定律V=K·Δh/L=Ki達西定律1856年法國學者Darcy對砂土的滲透性進行研究K——滲透系數(shù)，cm/s

I——水力梯度，即沿滲流方向單位

距離的水頭損失三、滲透系數(shù)及其確定方法1.常水頭試驗整個試驗過程中水頭保持不變，適用于透水性大砂土（k>10-3cm/s）。時間t內(nèi)流出的水量測定滲透系數(shù)方法試驗室測定:常水頭試驗變水頭試驗現(xiàn)場抽水試驗三、滲透系數(shù)及其確定方法2．變水頭滲透試驗整個試驗過程水頭隨時間變化適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土。截面面積a任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量dQ=－adh

在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量dQ=kiAdt=kAdth/L管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量－adh=kAdth/L

分離變量積分得【案例1】設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細玻璃管的內(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℃，試求試樣的滲透系數(shù)【解答】已知試樣截面積A=30cm，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)三、滲透系數(shù)及其確定方法3．現(xiàn)場抽水試驗室內(nèi)試驗時不易取得原狀土樣，或者土樣不能反映天然土層的層次或土顆粒排列情況時。圖1現(xiàn)場抽水試驗非承壓完整井還有其它幾種形式？案例2如圖1所示，在5.0m厚的粘土層下有一砂土層厚6.0m，其下為不透水基巖。為測定該砂土的滲透系數(shù)，打一鉆孔到基巖頂面并以1.5×10-2m3/s的速率從孔中抽水。在距抽水孔15m和30m處各打一觀測孔穿過粘土層進入砂土層，測得孔內(nèi)穩(wěn)定水位分別在地面以下3.0m和2.5m，試求該砂土的滲透系數(shù)。“”（答案：4.01×10-4m/s）解：由題意可知：r1=15m，r2=30m，h1=0.3m，h2=0.45m，

代入式得：4、影響滲透性的因素

T、

20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù)，可查表5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象一、滲流力GD——水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力稱為滲流力，也稱動水力Δh2h1h21L水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應為水柱隔離體平衡條件水柱重力

土顆粒對水總的阻力滲透力是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3（矢量）5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象二、流砂、管涌與臨界水頭梯度流砂——當向上的GD與土的浮重度相等時，即GD=γω·I=γˊ=γsat-γω，這時土顆間的壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，該現(xiàn)象稱為流砂。臨界水力坡降(梯度)——土在水下的浮重度G’為γˊ，當向上的滲流力GD與土的浮重度相等時，其水力坡降即為臨界水力坡降工程中，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]。G’GD或5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象二、流砂、管涌與臨界水頭梯度管涌——水在砂性土中滲流時，土中的一些細小顆粒在動水作用下，可能通過粗顆粒的孔隙被水帶走的現(xiàn)象。討論：1流砂發(fā)生在土體表面滲流逸出處，不發(fā)生在土體內(nèi)部，而管涌兩者都可能發(fā)生。

2流砂主要發(fā)生于細、粉砂及粉質(zhì)粘土中，而在粗顆粒土及粘土中不易發(fā)生。

3管涌的臨界水頭梯度與土的顆粒大小及其級配情況有關(guān)。不均勻系數(shù)Cu↑，則Icr↓，圖2-10

圖2-10流砂引起破壞示例a)基坑因流砂失穩(wěn)b)河堤覆蓋層下流砂涌出a)b)圖2-11例2-1圍護結(jié)構(gòu)坑底hw【解】發(fā)生流砂的條件為臨界水頭梯度因維護結(jié)構(gòu)進入坑底4m，故水滲流路徑長:兩側(cè)水頭差為故承壓水位上升后的高度m【案例3】某基坑開挖深8m（見圖2-11），地基中存在粉土層，其飽和重度為20kN/m3，在一場爆雨后，坑底發(fā)生了向上涌砂的流砂現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)粉土層中存在承壓水，試估算這時承壓水頭為多高？5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象流砂現(xiàn)象的防治原則是：①減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點降水法降低地下水位或水下挖掘；②增長滲流路徑，如打板樁；鋼板樁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5.2滲流力及流砂與管涌現(xiàn)象流砂現(xiàn)象的防治原則是：③在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；④土層處理，減小土的滲透系數(shù)，如凍結(jié)法、注漿法等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5.3土的毛細性5.3土的毛細性一土層中的毛細水土中水的運動形式：5種土的毛細現(xiàn)象——指土中水在表面張力作用下，沿著孔隙向上及其他方向移動的現(xiàn)象。毛細現(xiàn)象對工程危害

二毛細水上升高度及毛細壓力上舉力：P=S×2πrcosθ=2πrσcosθ重力：G=γW·πr2·hmax濕潤角可取θ=0則hmax=4σ/(d·γω)海森公式：hc=C/(e·d10)θhmax5.3土的毛細性毛細水土中毛細現(xiàn)象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀