天津大學(xué) 土力學(xué) 土的滲透性與滲流

土的滲透性與滲流第三章基本要求：1.掌握達(dá)西定律2.掌握滲透力的概念與計(jì)算3.掌握兩種滲透變形破壞的機(jī)理§3土的水的滲透性碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、油等液體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性§3.1概述能量差§3土中水的滲透性

滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流§3土中水的滲透性

滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流§3土中水的滲透性

滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q§3土中水的滲透性

滲流滑坡滲流滑坡§3.2土的滲透性試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)§3土中水的滲透性試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測變量:

h2，Q，tΔh=h1-h2q=Q/t2.

達(dá)西定律

達(dá)西定律§3土中水的滲透性

在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。一.達(dá)西定律k: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i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day2.達(dá)西定律§3.2土的滲透性粗粒土：①礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s

適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土

兩種特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)二滲透系數(shù)的測定室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法§3土中水的滲透性

常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)測定方法（一）室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測變量:

Q，ti=Δh/LQ=qt=vAtv=ki適用土類：透水性較好的砂性土二、土的滲透系數(shù)的測定二土的滲透系數(shù)的測定二、室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh

，t透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t室內(nèi)兩種試驗(yàn)方法比較不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：三、影響因素

粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)合水膜的厚度水的動(dòng)力粘滯系數(shù)飽和度（含氣量）—對k影響很大，封閉氣泡§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力試驗(yàn)觀察Δh=0

靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0

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)的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力j

——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。滲透變形滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ`L土水整體分析§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ`L－γwΔhR=γ`L

滲流中的土體§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1R=γ’L－γwΔhR=γ’L滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，支持力減少減少的部分由誰承擔(dān)？水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi§3.4滲透力與滲透變形

一.滲透力滲透力的性質(zhì)物理意義：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j=γwi大小：方向：與滲流方向一致作用對象：土骨架基本類型二.滲透變形（滲透破壞）

流砂管涌§3.6滲透力與滲透變形§3土中水的滲透規(guī)律

土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件防治措施§3.4滲透力與滲透變形一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1R=γ’L－γwΔh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，支持力減少臨界水力坡降i=Δh/L=γ`/γwicr=

γ`/γwγ’L－γwΔh=0粘性土k1<<k2砂性土k2壩體二.滲透變形（滲透破壞）流土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§3.4滲透力與滲透變形滲流原因：1.基本類型二.滲透變形（滲透破壞）管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過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?！?.4滲透力與滲透變形管涌管涌破壞1.基本類型流土與管涌的比較流砂土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形2.形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流砂經(jīng)驗(yàn)判斷：3.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

§3.4滲透力與滲透變形二.滲透變形防治流砂土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i

：上游延長滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降§3土中水的滲透規(guī)律

透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流1.飽和土中的應(yīng)力形態(tài)PSPSVaa§3.5滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力一.有效應(yīng)力原理的基本概念PSA：Aw：As：土單元的斷面積顆粒接觸點(diǎn)的面積孔隙水的斷面積a-a斷面通過土顆粒的接觸點(diǎn)有效應(yīng)力σ’a-a斷面豎向力平衡：u：孔隙水壓力§3.5滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力2.飽和土的有效應(yīng)力原理基本內(nèi)容（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分σ’和u，并且（2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測定或算定通常,③孔隙水壓力的作用

對土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻(xiàn)，并且水不能承受剪應(yīng)力，因而孔隙水壓力對土的強(qiáng)度沒有直接的影響；它在各個(gè)方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小。因而孔隙水壓力對變形也沒有直接的影響，土體不會(huì)因?yàn)槭艿剿畨毫Φ淖饔枚兊妹軐?shí)。①變形的原因顆粒間克服摩擦相對滑移、滾動(dòng)—與σ’有關(guān)；接觸點(diǎn)處應(yīng)力過大而破碎—與σ’有關(guān)。②強(qiáng)度的成因

凝聚力和摩擦—與σ’有關(guān)飽和土的有效應(yīng)力原理（2）（1）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力二、在靜水條件下土中的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖為浸沒在水下的飽和土體，設(shè)土面至水面的距離為h1,土的飽和容重為γsat，則土面下深度為h2的a-a平面上的總應(yīng)力為孔隙水應(yīng)力為于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為由此可見，在靜水條件下，孔隙水應(yīng)力等于研究平面上單位面積的水柱重量，與水深成正比，呈三角形分布；有效應(yīng)力等于研究平面上單位面積的土柱有效重量，與土層深度成正比，也呈三角形分布，與超出土面以上靜水位的高低無關(guān)。三、在穩(wěn)定滲流作用下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖表示在水位差作用下，發(fā)生由上向下的滲流情況。此時(shí)在土層表面b-b上的孔隙水應(yīng)力與靜水情況相同，仍等于γwh1，a-a平面上的孔隙水應(yīng)力將因水頭損失而減小，其值為a-a平面上的總應(yīng)