最新土力学课件第三章土的渗透性ppt课件

土力学课件第三章土的渗透性 第三章土的渗透性3-2达西渗透定律一、达西渗透定律由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的达西(Darcy)渗透定律：渗透速度：（3-1）或渗流量为：（3-2）对粘性土：（3-3） 第三章土的渗透性如图3－6(b)所示与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总渗流量qy应为各土层渗流量之总和，即整个土层与层面垂直的平均渗流系数为： 第三章土的渗透性3-4二向渗流和流网的特征一、如果土是各向同性的kx等于ky，则上式就是著名的拉普拉斯（Laplace）方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。二、流网及其特征就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网。 第三章土的渗透性流网的确定方法对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：（1）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；（3）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。 第三章土的渗透性3-5渗流力及渗透稳定性渗流所引起的稳定问题：（1）土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；（2）整体稳定问题。一、渗流力的概念水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力、动水压力。 第三章土的渗透性验证渗流力存在的流土试验：当容器B提升到一定高度，容器A与容器B内水位差达到一定值时，可以看到砂面出现沸腾那样的景象，这种现象称为流土或浮冲、砂沸。渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。 第三章土的渗透性渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。孔隙水为脱离体（1）（2）（3）（4）土粒对水流的总阻力Fs 第三章土的渗透性渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。沿水流方向力的平衡因为 第三章土的渗透性土体为脱离体边界上土粒间传递的力；边界上孔隙水传递的力；土体自重。渗流问题，两种力的组合：（1）土粒为考察对象；J，W’（2）土体为考察对象；W,U 第三章土的渗透性二、渗透变形（一）渗透变形的形式渗透变形可分为：流土和管涌两种基本形式。流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。土可细分为：管涌型土；过渡型土；流土型土。 第三章土的渗透性（二）土的临界水力梯度土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。1、流土型土的临界水力梯度当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。 第三章土的渗透性流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯度ie：ieicr流土设计时要保证：ie<＝[i]=icr/Fs安全 第三章土的渗透性2、管涌型土的临界水力梯度管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度i与流速v之间的变化来判断管涌是否出现。（1）公式：（2）肉眼观察（3）水力梯度i与流速v之间的变化 第三章土的渗透性3。临界水力梯度的试验资料（1）临界水力梯度与不均匀系数的关系土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小。（2）临界水力梯度与细料含量的关系 第三章土的渗透性（3）临界水力梯度与渗透系数的关系对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差；如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。防止渗透变形发生的措施：（1）减小水力梯度；（2）加盖压重、反滤层、减压井（3）改善级配 第三章土的渗透性3-6在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常以u表示。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。 第三章土的渗透性3-6在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力太沙基有效应力原理：把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。定义：研究平面总面积A；粒间接触面积As；孔隙水面积Aw＝（A－As） 第三章土的渗透性图3－22（a）为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为h1,土的饱和容重为γsat，则土面下深度为h2的a-a平面上的总应力为二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力 第三章土的渗透性由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，而与超出土面以上静水位的高低无关。其中，孔隙水应力为于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为 第三章土的渗透性三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力图3－23(a)表示在水位差作用下发生由上向下的渗流情况。此时在土层表面b-b上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于γwh1，面a-a平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为 第三章土的渗透性a-a平面上的总应力仍保持不变，等于于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为与静水情况相比，当有向下渗流作用时，a-a平面上的总应力保持不变，孔隙水应力减少了γwh。因而，证明了总应力不变的条件下孔隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。 第三章土的渗透性向上渗流的情况：与静水情况相比，当有向上渗流作用时，a-a平面上的总应力保持不变，孔隙水应力增加了γwh，而有效应力相应地减少了γwh。因而，又一次证明在总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少。a-a平面上的总应力a-a平面上的有效应力为a-a平面上的孔隙水应力 第三章土的渗透性向上渗流的情况：a-a平面上的有效应力为流土： 第三章土的渗透性四、根据流网确定孔隙水应力按照上述孔隙水应力的定义，一旦流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水应力即可由该点的测压管中的水柱高度(或称压力水头）乘以水的重度得到。当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部分孔隙水应力称为静孔隙水应力；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力,通常将这一部分孔隙水应力称为超静孔隙水应力。注意：土体的超静孔隙水应力除可由渗流产生以外，荷载（动的或静的）也能够在土体内引起超静孔隙水应力。 第三章土的渗透性【例题3－3】如图所示，若地基上的土粒比重Gs为2.68，孔隙率n为38.0％，试求：（1）a点的孔隙水应力和有效应力；（2）渗流逸出处1－2是否会发生流土？（3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？【解】（1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N＝10，则相邻两等势线间的水头损失Δh=h/10=8/10=0.8m。 第三章土的渗透性a点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低Δh=0.8m，从图中直接量得下游静水位至a点的高差haˊ=10m，而超过下游静水位的高度应为ha〞=h-Δh＝8-0.8＝7.2m。则a点测压管中的水位高度hw＝haˊ+ha〞=10+7.2=17.2m。所以，a点的孔隙水应力为u=γwhw=9.8×17.2=168.56kPa其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为uˊ=γwhaˊ=9.8×10=98kPa而由渗流引起的超静孔隙水应力为u〞=γwha〞=9.8×7.2=70.56kPaa点的总应力为σ＝γwh1+γsat(haˊ-h2) 第三章土的渗透性其中土的饱和重度γsat＝ρsat×9.8=ρw[1+(Gs-1)(1-n)]×9.8＝[1+(2.68-1)(1-0.38)]×9.8＝20kN/m3代入上式得总应力为σ＝9.8×10+20×(10-2)=98+160=258kPa于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为σˊ＝σ-u=258-168.56=89.44kPa（2）从图中直接量得网格1，2，3，4的平均渗径长度ΔL=8m，而任一网格上的水头损失均为Δh=0.8m，则该网格的平均水力梯度为i=Δh/ΔL＝0.8/8=0.1该梯度即近似代表地面1－2处的逸出梯度ie。 第三章土的渗透性流土的临界水力梯度为icr=(Gs-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04＞ie所以，渗流逸出处1－2不会发生流土现象。（3）从图中直接量得网格9，10，11，12的平均渗径长度ΔL=5.0m，两流线间的平均距离b=4.4m，网格的水头损失Δh=0.8m，所以作用在该网格上的渗流力为J＝γw(Δh/ΔL)bΔL＝γwbΔh＝9.8×0.8×4.4=34.5kN/m EndofChapter3习题：3－1、3－2、3－4、3－5 基马式渗透仪 南55渗透仪 结束语谢谢大家聆听！！！39