土力学课件第三章土的渗透性.pptx
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1、岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-1 概概 述述渗透:由于土体本身具有连续的孔隙,如果存在水位差的作用,水渗透:由于土体本身具有连续的孔隙,如果存在水位差的作用,水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。土具有被水透过的性能称为土的渗透性。土具有被水透过的性能称为土的渗透性。土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化,从而影响建筑物或地基的稳地基本身的结构、强度等状态的变化,从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。定
2、性或产生有害变形的问题。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-2 达西渗透定律达西渗透定律一、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。大、流速缓慢,因此,其流动状态大多属于层流。著名的达西著名的达西(Darcy)Darcy)渗透定律:渗透定律:渗透速度:渗透速度:(3-13-1)或或 渗流量为:渗流量为:(3-23-2)对粘性土:对粘性土:(3-33-3)岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性必须
3、指出,由式(必须指出,由式(3-13-1)求出的渗透速度是一种)求出的渗透速度是一种假想的平均流速假想的平均流速,因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的,而实因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的,而实际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动,实际平均流速要比假际上,渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动,实际平均流速要比假想的平均流速大很多。想的平均流速大很多。它们之间的关系为:它们之间的关系为:(3-43-4)岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性二、达西渗透定律的适用条件二、达西渗透定律的适用条件只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。只有当渗流为
4、层流的时候才能适用达西渗透定律。达西渗透定律的适用界限可以考虑为:达西渗透定律的适用界限可以考虑为:(3-53-5)满足达西渗透定律的土的平均粒径满足达西渗透定律的土的平均粒径:(3-6 3-6)也就是说,对于比粗砂更细的土来说,达西渗透定律一般是适用的,也就是说,对于比粗砂更细的土来说,达西渗透定律一般是适用的,而对粗粒土来讲,只有在水力坡降很小的情况下才能适用。而对粗粒土来讲,只有在水力坡降很小的情况下才能适用。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-3 渗透系数的测定渗透系数的测定渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。一、实验室内测定渗
5、透系数就原理而言,可分为:常水头试验和变水头试验。(一)常水头法是在整个试验过程中,水头保持不变。常水头法适用于透水性强的无粘性土。土的渗透系数:(3-7)下页所示为基马式渗透仪基马式渗透仪岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-3 渗透系数的测定渗透系数的测定(二)变水头法在整个试验过程中,水头是随着时间而变化的。变水头法适用于透水性弱的粘性土。土的渗透系数:(3-8)或 (3-9)下页为南南55型渗透仪型渗透仪岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性二、成层土的渗透系数二、成层土的渗透系数天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面
6、平行天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况,当各土层的渗透系数和厚度为已知时,我和垂直的简单渗流情况,当各土层的渗透系数和厚度为已知时,我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数,作为进行渗们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数,作为进行渗流计算的依据。流计算的依据。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性如图如图336(6(a)a)所示与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总所示与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总渗流量渗流量qqxx应为各土层渗流量之总和,即应为各土层渗流量之总和,即整个土层与层面平行的平均渗流系数
7、为:整个土层与层面平行的平均渗流系数为:岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性如图如图3 36(6(b)b)所示与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总所示与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总渗流量渗流量q qyy应为各土层渗流量之总和,即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:整个土层与层面垂直的平均渗流系数为:岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-4 二向渗流和流网的特征二向渗流和流网的特征一、如果土是各向同性的一、如果土是各向同性的k kxx等于等于k kyy,则则上式就是著名的上式就是著名的拉普拉斯(拉普拉斯(L
8、aplaceLaplace)方程方程,它是描述稳定渗流的基本方程式。它是描述稳定渗流的基本方程式。二、流网及其特征二、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。水头是相等的;另一组曲线称为流线,它们代表渗流的方向。等势线等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网和流线交织在一起形成的网格叫流网。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性流网的确定方法流网的确定方法对于各向同性的渗透介质,流网具有对于各向同性的渗透介质,流网具有下列特征:
9、下列特征:(11)流线与等势线彼此正交;)流线与等势线彼此正交;(22)每个网格的长宽比为常数;)每个网格的长宽比为常数;(33)相邻等势线间的水头损失相等;)相邻等势线间的水头损失相等;(44)各流槽的渗流量相等。)各流槽的渗流量相等。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-5 渗流力及渗透稳定性渗流力及渗透稳定性渗流所引起的稳定问题:渗流所引起的稳定问题:(1 1)土体的局部稳定问题,又称为渗透变形问题;土体的局部稳定问题,又称为渗透变形问题;(2 2)整体稳定问题。整体稳定问题。一、渗流力的概念一、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
10、由于水在水在土体中流动时,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。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: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。水压力。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性验证渗流力存在的流土试验:验证渗流力存在的流土试验:当容器当容器BB提升到一定高度,容提升到一定高度,容器器AA与容器与容器BB内水位差达到一内水位差达到一定值时,可以看到砂面出现沸定值时,可以看到砂面出现沸腾那样的景象,这种现象称为腾那
11、样的景象,这种现象称为流土或浮冲、砂沸。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。向)方向一致,是一种体积力。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性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。向)方向一致,是一种体积力。孔隙水为脱离体孔隙水为脱离体(11)(22)(33)(44)土粒对水流的总阻力)土粒对水流的总阻力FsFs岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土
12、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。致,是一种体积力。沿水流方向力的平衡沿水流方向力的平衡因为因为岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性土体为脱离体土体为脱离体边界上土粒间传递的力;边界上土粒间传递的力;边界上孔隙水传递的力;边界上孔隙水传递的力;土体自重。土体自重。渗流问题,两种力的组合:渗流问题,两种力的组合:(11)土粒为考察对象;)土粒为考察对象;JJ,WW(2 2)土体为考察对象;)土体为考察对象;W,UW,U岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三
13、章 土的渗透性土的渗透性二、渗透变形二、渗透变形(一)渗透变形的形式(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。渗透变形可分为:流土和管涌两种基本形式。流土: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。的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。管涌: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。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:土可细分
14、为:管涌型土;过渡型土;流土型土。管涌型土;过渡型土;流土型土。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性(二)土的临界水力梯度(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,一般称为力梯度表示,一般称为临界水力梯度临界水力梯度或抗渗梯度。或抗渗梯度。11、流土型土的临界水力梯度、流土型土的临界水力梯度当当竖向渗流力等于土体的有效重量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。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,
15、因为前者不仅仅是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)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。以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性流土一般发生在渗流逸出处,根据逸出梯度流土一般发生在渗流逸出处,根据逸出梯度i iee:i iee i icr cr 流土流土设计时要保证:设计时要保证:iiee ii=iicr cr /F/Fs s 安全安全岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透
16、性土的渗透性2 2、管涌型土的临界水力梯度、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 i与流速与流速v v之间的变化来判断管涌是否出现。之间的变化来判断管涌是否出现。(11)公式:)公式:(22)肉眼观察肉眼观察(33)水力梯度水力梯度ii与与流速流速vv之间的变化之间的变化岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性33。临界水力梯度的试验资料。
17、临界水力梯度的试验资料(11)临界水力梯度与不均匀系数的关系)临界水力梯度与不均匀系数的关系 土的不均匀系数愈大,临界水力梯度愈小土的不均匀系数愈大,临界水力梯度愈小。(2 2)临界水力梯度与细料含量的关系)临界水力梯度与细料含量的关系岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性(3 3)临界水力梯度与渗透系数的关系)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;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。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防止渗透变形发生的措施:(1
18、1)减小水力梯度;)减小水力梯度;(22)加盖压重、反滤层、减压井)加盖压重、反滤层、减压井 (33)改善级配)改善级配岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-6 在静水和有渗流情况下的在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力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孔隙水应力,常,常以以uu表示。表示。把通过粒间的接触面传递的应力称为把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力有效应力。只有有效应力才能使土体产生压缩(或
19、固结)和强度。只有有效应力才能使土体产生压缩(或固结)和强度。岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性3-6 在静水和有渗流情况下的在静水和有渗流情况下的 孔隙水应力和有效应力孔隙水应力和有效应力太沙基有效应力原理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把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力有效应力。定义:定义:研究平面总面积研究平面总面积AA;粒间接触面积粒间接触面积AsAs;孔隙水面积孔隙水面积AwAw(AAAsAs)岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性图图332222(aa)为浸没在水下的饱和土体,设土面至水面的距离为为浸没在
20、水下的饱和土体,设土面至水面的距离为hh11,土的饱和容重为土的饱和容重为satsat ,则土面下深度为,则土面下深度为hh22的的a-aa-a平面上的总应力为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二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性由此可见,在静水条件下,由此可见,在静水条件下,孔隙水应力孔隙水应力等于研究平面上单位面积的等于研究平面上单位面积的水柱重量,水柱重量,与水深成正比,呈三角形分布与水深成正比,呈三角形分布;有效应力有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量,与土层深度成等于研究平面上
21、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与超出土面以上静水位的高低无关。其中,孔隙水应力为其中,孔隙水应力为于是,根据有效应力原理,于是,根据有效应力原理,a-aa-a平面上的有效应力平面上的有效应力为为岩土工程研究所岩土工程研究所第三章第三章 土的渗透性土的渗透性三、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图3323(23(a)a)表示在水位差作用下发生由上向下的渗流情况。此时在表示在水位差作用下发生由上向下的渗流情况。此时在土层表面土层表面b-bb-b上的孔隙
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