土力学课件土的渗透性和渗流

第3章土的渗透性和渗流 土的渗透性及渗流土的渗透性与土的强度、变形特性一起，是土力学中的几个重要课题土的渗透性研究的三个主要方面问题及其与工程的关系研究土的渗透性规律及其与工程的关系具有重要意义，土的渗透性是反映土的孔隙性规律基本内容之一详细介绍土的渗透性及渗流规律、土中二维渗流及流网、再介绍渗透破坏及渗流控制 本章要求掌握土的层流渗透定律及渗透性指标；熟悉渗透性指标的测定方法及影响因素，渗流时渗水量的计算，渗透破坏与渗流控制问题；了解土中二维渗流及流网的概念和应用 第3章土的渗透性及渗流土的渗透性、渗透系数土中二维渗流及流网渗透破坏与控制主要内容 第3章土的渗透性及渗流达西定律渗透系数及其确定方法熟悉流网渗透力与渗透变形渗流工程问题与处理措施重点掌握内容 §3.1概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透 相互关联相互影响渗透在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象渗透性土体具有被液体透过的性质土的强度土的变形土的渗流渗透性研究的三个方面渗流量问题渗透破坏问题渗流控制问题 §3.2土的渗透性(达西定律)3.2.2土的层流渗透定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失1、达西定律i=h/L k渗透系数cm/s砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系v=kiivO砂土v=kiq=kAik是反映土体透水能力大小的综合性指标k越大土的透水能力越强i=h/L渗透定律 2、达西定律适用范围与起始水力坡降密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流0iv密实粘土V=k(i-ib) 讨论砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系粗粒土：i小、大水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系i大、大水流为紊流，渗透规律不符合达西定律，-i为非线性关系 §3.2.3渗透试验与渗透系数1、渗透试验（室内）时间t内流出的水量常水头试验—整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。Q=qtk=QL/Aht 2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－adh在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt分离变量积分适用于透水性差，渗透系数小的粘性土 3、影响渗透系数的主要因素(1)土的粒度成分土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大细粒含量愈多，土的渗透性愈小，(2)土的密实度土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小土愈密实渗透系数愈小 土的饱和度愈低，渗透系数愈小(4)土的结构扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度原状土样的小(3)土的饱和度 (5)水的温度(水的动力粘滞系数)水温愈高，水的动力粘滞系数愈小土的渗透系数则愈大(6)土的构造水平方向的h>垂直方向vT、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表 4、渗透系数k的经验确定方法洁净不含细粒土的松砂k=1.0-1.5(d10)2黏性土k=C3(en/1+e)较密实、击实砂土k=0.35(d15)2 （1）与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数)H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和5、成层土的等效渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx达西定律整个土层与层面平行的渗透系数平均渗透系数 (2)垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i总水头损失等于各层水头损失之和代入 H1H2H3k1k2k3H垂直渗透系数q3yq2yq1yqy整个土层与层面垂直的渗透系数=nHi=1KiyHi Kx近似由最不透水(最小)的一层渗透系数和厚度控制由最透水(最大)的一层渗透系数和厚度控制=HKiyni=1Ky近似水平向Kx>垂直向Ky成层土:Hi 四、例题分析例设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数解已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积h1=160cm，h2=52cm，△t=900s试样在30℃时的渗透系数 §3.3土中二维渗流及流网3.3.1二维渗流方程2h拉普拉斯方程(平面稳定渗流的基本方程式)x22hz2+=0 a′不透水层abb′sscHEz1h1zE 3.3.2流网特征与绘制数学解析法电模拟法数值法拉普拉斯方程表明,渗流场内任意点水头是坐标位置的函数h=f(x,z)求解拉氏方程四种方法:图解法 知道了水头分布,即可确定渗流场的其他特征水头梯度i渗透压力J渗流场渗流量q孔隙水压力u流速v 1.流网的特征等势线渗流场中势能或水头的等值线流网流线水质点的流动路线流线等势线组成的曲线正交网格 a′不透水层abb′sscHEz1h1zE 流线与等势线互相正交流网的特征:流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数1各个流槽的渗流量相等相邻等势线之间的水头损失相等 2、流网的绘制按一定比例绘出结构物和土层的剖面图先试绘若干条流线应相互平行,不交叉且是缓和曲线,流线应与进水面、出水面正交,并与不透水面接近平行,不交叉判定边界条件透水面等势线不透水面流线绘等势线须与流线正交,且每个渗流区的形状接近“方块” a′不透水层abb′sscHEz1h1zE 流线=4等势线=10Nd=10-1Nf=4-1 10m1.5m5m2.6m1m1.20mzEEABOO 3、流网的工程应用总水头差Hh=相临等势线之间的水头损失hHNd等势线条数n=10，流线条数m=4Nd=n-1=10-1（1）渗流量的计算 每个流槽的渗流量qq=Aki=（b1）k=k当b/L=1，总渗流量q（m3/d）hLHbNdLq=kHNfNdNf流槽的数量=流线数-1=m-1 渗流场中一点的孔隙水压力u等于该点的测压管水柱高H与水的重度的乘积u=H渗流场中某点测压管水柱高H为H=h1+Z1-ZE-（ni-1）hni第i根等势线数孔隙水压力u上游水位高E点的坐标E水头损失 a′不透水层abb′sscHEz1h1zEH=h1+Z1-ZE-（ni-1）h §3.4渗透破坏与控制3.4.1渗流(透)力渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力水阻力渗透力土拖曳力二者大小相等方向相反 渗流力渗流力是一种体积力单位为kN/m3J=i作用方向：与渗流方向一致（流线方向）大小与水力梯度成正比 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出 临界水力梯度———使土体开始发生渗透变形的水力梯度GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度或在工程计算中，将土的临界水力梯度除以安全系数Fs(2～3)，作为允许水力梯度[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力梯度控制在允许梯度[i]内受到水的浮力作用为浮重度′ 临界水力坡降———与土性密切相关土Cu愈大，icr愈小渗透系数k愈大，icr愈低土中细粒含量愈高，icr增大 3.4.2渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）1.流土——在渗流作用下，粒间力有效应力为零时,或某一范围内土颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。一般是突发性的破坏流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌——在渗流作用下，土中的细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，随着土孔隙不断扩大，发生移动并被带出的现象，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷。土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 潜蚀作用：易发生流砂的土饱和的颗粒级配均匀细砂粉砂粉土层机械潜蚀—流动的机械力将细土粒带走而形成洞穴潜蚀作用—水流溶解了土中易溶盐，胶结物使土变松散，土体被软化、弱化，细土粒被水冲走，形成洞穴3.流土判别 上海地区易发生流砂的土层特征粘粒含量小于10%土的不均匀系数Cu<5粉粒、砂粒含量大于75%土的含水量大于30%粘土夹有砂层，其厚度大于25cm土的孔隙率大于43%（e大于0.75） i实际≥icr发生流砂国外资料e>0.75-0.8有效粒径d10<0.1mmCu<5细砂易发生流砂 4.管涌的判别无粘性土产生管涌必须具备两个条件发生管涌土的特征颗粒大小差别大缺失某中间粒径细砂孔隙直径大且相互连通几何条件水力条件 碎石铺盖黏土心墙碎石砂粒上游填土下游填石块上堵下疏 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细粒含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象 三、例题分析例某土坝地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏解临界水力坡降由于实际水力坡降i<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降 §3.5渗流工程问题与处理措施渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 4.基坑突涌当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌 防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形①垂直截渗主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 ②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径粘土铺盖 ③设置反滤层砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 ④排水减压粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施①工程降水采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位 ②设置板桩沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩③水下挖掘在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 3.1概述主要内容：土的渗透性和渗透规律研究对象：饱和土体“土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的”土的渗透性问题土的固结问题土的毛细现象9/15/2021 河滩路堤下的渗流9/15/2021 3.2土的渗透性和渗流定律3.2.1渗透性土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象。 渗流模型基本假定：不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；图3-1渗流模型认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为流体所充满。 图3-1渗流模型相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；任一断面上，渗流模型压力与真实渗流压力分布相同； 1.渗流速度断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：v=q/A真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：v0=q/A于是v/v0=A/A=n“模型的平均流速要小于真实流速” 能量是用水头来表示，Bernoulli’sEquation：2.水头如果忽略流速的影响，则 3.水头差(A点与B点) 水力梯度:单位流程总水头的变化4.水力坡降 水头的大小随选取的基准面不同而不同；注意：最关心的不是水头而是水头差；水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。 例3-1求：（1）截面的位置水头、压力水头和总水头（2）截面之间的水头损失和水力梯度 解： 5255abcabc总水头变化： 水力梯度：5255abcabc 法国学者达西(Darcy),砂土实验结果（1852-1855）渗透速度与水头梯度成正比：v=ki或q=kiA式中：v—渗透速度(m/s)；i—水头梯度；k—渗透系数(m/s)；q—渗透流量(m3/s)A—截面积。图3-4Darcy渗透定律3.2.2Darcy渗透定律9/15/2021 例题3-2两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。图3-4Darcy渗透定律[解]水头损失之和等于总水头损失：h1+h2=h=40cm根据水力坡降的概念，有i2=h2/L2=0.5，而L2=20cm得h2=10cmh1=h-h2=40-10=30cm9/15/2021 [解]土样1的水力坡降i1=h1/L1=1.5水在土样1和土样2中渗流时的速度相同:v=k1i1=k2i2得k2=0.09cm/s。图3-4Darcy渗透定律例题3-2两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。9/15/2021 达西定律只适用于层流适用于中砂、细砂、粉砂等粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。图3-5水力坡度与渗流速度关系3.2.3Darcy定律适用范围 粘土不完全符合达西定律，需进行修正图3-6砂土和粘土的渗透规律粘土中存在起始水头梯度i0修正后：v=k(i-i0)图3-6绘出砂土与粘土的比较。关于起始水力坡降是否存在也有不同观点。 3.2.4渗透系数的测定 1.常水头渗透试验图3-7常水头渗透试验则得故渗透系数为截面积为A，流径L；压力水头维持不变；试验开始时，水自上而下流经土样；待渗流稳走后，测得水量Q；同时读得a、b两点水头差h。9/15/2021 常水头渗透试验装置9/15/2021 2.变水头渗透试验图3-8变水头渗透试验土样的截面积A，高度为L储水管截面积为a试验开始储水管水头为h0经过时间t后降为h1时间dt内水头降低dh，水量为：dQ=-adh另外dQ=kiAdt=k(h/L)Adt 流入和流出相等：-adh=k(h/L)Adt由此求得渗透系数：整理并积分得即 变水头渗透试验装置9/15/2021 3.现场抽水试验图3-9抽水试验粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样；小土样不能反映天然土层的结构性。现场方法：野外注水试验和野外抽水试验等 抽水量为Q观测孔距离分别为rl和r2，水位高度h1和h2r处水面高度h，过水断面A＝2rh图3-9抽水试验 图3-9抽水试验即： 两边积分：故渗透系数为 分析表3-1渗透系数值:可见：不同土类的渗透系数值差异很大表3-1渗透系数参考值渗透系数的测定十分重要 （1）土的粒度成分及矿物成分。（2）结合水膜厚度。（3）土的结构构造。（4）水的粘滞度。4.影响土的渗透性的因素 §3.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出 结论：渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力；是一种体积力渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。 2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降GJ当土颗粒的浮重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降或在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内 3.3.2土的渗透变形和防治措施流土现象:当土颗粒间的接触压力为零，土颗粒处于悬浮状态而失去稳定。向上渗流 管涌现象:土中的一些细小颗粒在渗透力作用下，通过粗颗粒的孔隙被水流带走。图3-12流土示意图 比较和区别:流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部 3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象 三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏【解答】临界水力坡降由于实际水力坡降i<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降 §3.4渗流工程问题与处理措施一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 4.基坑突涌当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌 二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形①垂直截渗主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 ②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径粘土铺盖③设置反滤层砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 ④排水减压粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施①工程降水采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位 ②设置板桩沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩③水下挖掘在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 3.3土中二维渗流及流网（自学）