第2章土的渗透性及渗流PPT课件

第第2章章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流本章主要内容本章主要内容2.1 土的渗透性及举例土的渗透性及举例2.2 土的水理性质土的水理性质2.3 地下水的运动方式和判别地下水的运动方式和判别2.4 达西定律及其适应范围达西定律及其适应范围2.5 渗透系数的测定渗透系数的测定2.6 二维渗流及流网应用二维渗流及流网应用2.7 渗透力、潜蚀和流沙的危害及防治渗透力、潜蚀和流沙的危害及防治2.8 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力学习要求学习要求掌握：掌握：1 土的渗透性土的渗透性 2 土的渗流土的渗流 3 渗透力与渗透破坏渗透力与渗透破坏 4 渗透系数的测定渗透系数的测定 5 渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算 难点：难点：渗流渗流 重点：重点：达西渗透定律达西渗透定律;渗流情况下的孔隙水应力和有效应力渗流情况下的孔隙水应力和有效应力的计算的计算2.1 2.1 土的渗透性及举例土的渗透性及举例土的问题土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变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定性或产生有害变形的问题。影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水透过土体孔点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水透过土体孔隙的现象就叫做隙的现象就叫做渗透（渗流）。渗透（渗流）。土具有被水等液体透过的性质叫土具有被水等液体透过的性质叫渗透性。渗透性。浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流 土的渗透性及举例土的渗透性及举例透水层透水层不透水层不透水层板桩墙板桩墙基坑基坑板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流量渗流量渗透变形渗透变形 土的渗透性及举例土的渗透性及举例渗流量渗流量渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流 土的渗透性及举例土的渗透性及举例透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q渗流滑坡渗流滑坡 土的渗透性及举例土的渗透性及举例 土的水理性质：土的水理性质：土体在水的作用及其变化的条件下，产生土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。2.2 2.2 土的水理性质土的水理性质这里主要讨论以下的两方面问题：这里主要讨论以下的两方面问题：p 土的毛细水性质土的毛细水性质p 土的冻胀土的冻胀p 土的毛细水性质土的毛细水性质 土的毛细现象：土的毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象向上及向其他方向移动的现象 土能够产生毛细现象的性质称为土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性。土的毛细性。土的水理性质土的水理性质 土的毛细性对工程的影响：土的毛细性对工程的影响：毛细水上升是引起路基冻害的因素之一毛细水上升是引起路基冻害的因素之一 对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿 毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农业经济都有很大的影响业经济都有很大的影响 p 土的冻胀土的冻胀 影响冻胀的因素有下列三个方面：影响冻胀的因素有下列三个方面：1、土的因素、土的因素 2、水的因素、水的因素 3、温度的因素、温度的因素 土的水理性质土的水理性质 上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。其结上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。其结论是：在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、论是：在持续负温作用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。粉质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。主要措施主要措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深度（可查有：将构筑物基础底面置于当地冻结深度（可查有关规范）以下，以防止冻害的影响。关规范）以下，以防止冻害的影响。2.2 2.2 地下水的运动方式和判别地下水的运动方式和判别 地下水：地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水总是处在运动状态之中。总是处在运动状态之中。地下水的运动方式的分类：地下水的运动方式的分类：1、按流线形态：层流、湍流、按流线形态：层流、湍流2、按水流特征随时间的变化状况分为：稳定流运动、非稳流运、按水流特征随时间的变化状况分为：稳定流运动、非稳流运动动3、按水流在空间上的分布状况分为：一维流动、二维流动、三、按水流在空间上的分布状况分为：一维流动、二维流动、三维流动维流动 p 地下水运动的基本方式地下水运动的基本方式 地下水的运动方式和判别地下水的运动方式和判别p 地下水运动方式的判别地下水运动方式的判别雷诺数雷诺数sdRe雷诺（英国）雷诺（英国）1883年得出了划分层流与湍流的定量界限，称年得出了划分层流与湍流的定量界限，称雷诺数。雷诺数。圆管中水的流动圆管中水的流动 雷诺数：雷诺数：式中：式中：v为圆管水流的速度，为圆管水流的速度，cm/s；d为圆管的直径，为圆管的直径，cm；s为水的运动粘为水的运动粘滞系数，也称斯托克斯系数，滞系数，也称斯托克斯系数，1ST=1cm2/s。当温度。当温度T=0摄氏度时，摄氏度时，；当温度；当温度T=30摄氏度时，摄氏度时，根据计算结果根据计算结果当当Re（20002300）时属湍流。）时属湍流。scms/1079.122scms/1001.822 水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。（势能小）的地方。水头水头(water head)：单位重量水体所具有的能量。：单位重量水体所具有的能量。渗流中一渗流中一点的点的总水头总水头h可用下式表示：可用下式表示：h=z+(2-1)z z 位置水头位置水头 压力水头压力水头 流速水头，流速水头近似等于流速水头，流速水头近似等于0 0它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能。它们的物理意义均代表单位重量水体所具有的各种机械能。gvuw22 几个重要的概念几个重要的概念wug22wuzh1、各种水头概念及水力坡降、各种水头概念及水力坡降ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线wAA1uzh wBB2uzh hhh21wuzh Lhi A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：渗流流过单位长度时的水头损失。渗流流过单位长度时的水头损失。几个重要的概念几个重要的概念水力坡降的物理意义 注意：注意：土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差，土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差，若若hAhB时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动动(但水并非一定向低处流但水并非一定向低处流)。几个重要的概念几个重要的概念2 2 管内水流动的两种形式管内水流动的两种形式？（1 1）流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为）流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为层流层流。（2）若水流动时，相邻的两个质点流线相交，流动时将若水流动时，相邻的两个质点流线相交，流动时将出现漩涡，这种流动称为出现漩涡，这种流动称为湍流湍流。土体中水的流速很小可看作为层流。土体中水的流速很小可看作为层流。2.4 2.4 达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围 达西（达西（H.DarcyH.Darcy），），1803180318581858，法国水，法国水力工程师。力工程师。18561856年，达西发表了著名的多孔介年，达西发表了著名的多孔介质地下水运动或流动的报告，报道了他所做的质地下水运动或流动的报告，报道了他所做的关于水在沙柱中流动的实验。达西发现通过沙关于水在沙柱中流动的实验。达西发现通过沙柱的流量与所用砂的透水性和观测点的水头有柱的流量与所用砂的透水性和观测点的水头有关，该关系的数学表达式即为关，该关系的数学表达式即为达西定律达西定律。可以说，达西的发现首次从数量上揭示了可以说，达西的发现首次从数量上揭示了多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关系，使多孔介质中地下水流计算成为可能。关系，使多孔介质中地下水流计算成为可能。现代地下水流计算中，几乎所有的经典计算方现代地下水流计算中，几乎所有的经典计算方法和计算模型，都是直接或间接地由达西定律法和计算模型，都是直接或间接地由达西定律推倒而得来。所以可以毫不夸张地说，达西是推倒而得来。所以可以毫不夸张地说，达西是水文地质学的奠基人之一，他的实验成果开创水文地质学的奠基人之一，他的实验成果开创了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学学地下水动力学地下水动力学。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粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。层流。著名的著名的达西达西(Darcy)渗透定律：渗透定律：渗透速度：渗透速度：或或 渗流量为：渗流量为：hvkkiLkiAvAq达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围式中：式中：-水在土中的渗透速度，水在土中的渗透速度，cm/scm/s。它不是地下水的实际流速，而是在单位时它不是地下水的实际流速，而是在单位时间（间（secsec）内流过单位土截面（）内流过单位土截面（cmcm2 2）的水量（）的水量（cmcm3 3）,是土体断面的平均渗透是土体断面的平均渗透速度；速度；i-i-水力梯度，即土中两点的水头差水力梯度，即土中两点的水头差 (如下图，为如下图，为H H1 1-H-H2 2)与两点间的流线长度与两点间的流线长度（L L）之比；）之比；k-k-土的渗透系数，土的渗透系数，cm/scm/s，与土的渗透性质有关的待定系数。，与土的渗透性质有关的待定系数。达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围必须指出，由式（必须指出，由式（2-12-1）求出的）求出的渗透速度渗透速度v v 是一种是一种假想的平假想的平均流速均流速，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来，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，实际平均流速际平均流速v v 要比假想的平均流速大很多。要比假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：eevnvv1达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围二、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只有当渗流为层流层流的时候才能适用达西渗透定律。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：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:对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的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，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。用。0vdRemmvd52.0Re/达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围voi0i粘土颗粒渗流结合水膜达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围p 对对粘性土粘性土：)(0iikv三、两种特殊情况三、两种特殊情况 对于粘性很大的密实粘土，有一起始坡对于粘性很大的密实粘土，有一起始坡降降i i0 0，当，当i i i i0 0 时，水流挤开结时，水流挤开结合水膜的堵塞，渗流才能发生合水膜的堵塞，渗流才能发生,如右下如右下图所示。图所示。达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围p 对对砾土（粗颗粒）砾土（粗颗粒）：只有在水力坡降很小的情况下才能适用只有在水力坡降很小的情况下才能适用;在较大水力梯在较大水力梯度下，水在土中的流动进入湍流状态，渗流速度与水度下，水在土中的流动进入湍流状态，渗流速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图力梯度呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图（c）所示。）所示。渗透系数渗透系数是直接衡量土的透水性是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。强弱的一个重要的力学性质指标。一、实验室内测定渗透系数一、实验室内测定渗透系数可分为：可分为：常水头试验常水头试验和和变水头试验变水头试验（一）常水头法（一）常水头法是在整个试验过程中，水头保持是在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于不变。常水头法适用于透水性强透水性强的无粘性土的无粘性土。土的渗透系数：。土的渗透系数：htAQLk 2.5 2.5 渗透系数的测定渗透系数的测定AtLhkkiAtvAtQ（二）变水头法（二）变水头法在整个试验过程中，水头是随着时在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于间而变化的，适用于透水性弱的粘透水性弱的粘性土。性土。土的渗透系数：土的渗透系数：渗透系数的测定渗透系数的测定21122112lg)(3.2)(hhttAaLkhhInttAaLk或2112lg)(3.2hhttAaLk或表示为即可得到土的渗透系数将上式两边积分的减小而增加式中负号表示渗流量随量内流经试样的水，则在时段，细玻璃管中水位下落经时段，的水位差为，试验开始后任一时刻为设细玻璃管的内截面积2112)(dtdhdthta2121hhInttAaLkhdhkAaLdthdhkAaLdtAdtlhkdQhadhdQhhtt渗透系数的测定渗透系数的测定二、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，我们可求出整个土层与层面平行和数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。渗透系数的测定渗透系数的测定p如上图(a)所示与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总和，即 （a）根据达西定律，总渗流量又可表示为 （b）(c)整个土层与层面平行的平均渗流系数为：niixnxxxxqqqqq121niiixHkHk11渗透系数的测定渗透系数的测定niiixiiixxxxiHkiHkiHkqikiHkq1acb:）式得）式代入（）（将（任一土层的渗流量为。为土层的平均水力梯度均渗透系数；为与层面平行的土层平式中iniinniiyiiiiiiyyyyHhiiiiiHiHiHiHihikHhkAikAHhkqkHhkqihhHhih12211.AacbA,整个的水头总损失为可得）式，消去）代入（）（将（为通过任一土层的渗流量为渗流截面积均渗透系数；为与层面垂直的土层平式中：得总渗透量为由达西定律应为，总的平均水力梯度应为土层的水头总损失则通过整个为水力梯度水头损失为设渗流通过任一土层的p通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量q qy y应为应为通过各土层的渗流量通过各土层的渗流量，即，即 （a a）（b）（c）nyyyyqqqq21整个土层与层面垂直的整个土层与层面垂直的平均渗流系数平均渗流系数为：为：niiinnykHHkHkHkHHk12211)(渗透系数的测定渗透系数的测定2.6 2.6 二维渗流和流网的特征二维渗流和流网的特征一一、拉普拉斯方程拉普拉斯方程在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可以用拉普在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可以用拉普拉斯方程来描述。拉斯方程来描述。式中：式中：h为渗流的水头或水头差为渗流的水头或水头差流线可以用流函数流线可以用流函数 来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数满足拉普拉斯方程满足拉普拉斯方程等势线可以用势函数等势线可以用势函数 02222yhxh),(zx02222zx),(zx02222zx 就渗流问题来说，一就渗流问题来说，一组曲线称为组曲线称为等势线等势线，在任，在任一条等势线上各点的总水一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线头是相等的；另一组曲线称为称为流线流线，它们代表渗流，它们代表渗流的方向。等势线和流线垂的方向。等势线和流线垂直交织在一起形成的网格直交织在一起形成的网格叫叫流网流网。二二、流网及其特征流网及其特征02222yhxh 二维渗流和流网的特征二维渗流和流网的特征 对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：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；）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；）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；）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。二维渗流和流网的特征二维渗流和流网的特征2.7 2.7 渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治一、一、渗流压力渗流压力的概念的概念在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗流压力受到的渗流作用力称为渗流压力(seepage force or seepage pressure)或动水压力，用或动水压力，用Gd表示。表示。渗流压力的计算渗流压力的计算平衡关系式为水柱上各力的根据力的平衡，在阻力：土的颗粒骨架对渗流水上的分力：水柱的自重在流线方向个力，即水柱上作用着如图所示，214321221121AAcos,f4AATFLfLFfAAFhfFhwww0cos21TLFFhLFFhwww代入上式将LZZ21cos渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治02211TLhZZhwwww02211TLhZZhw212211HHZhZhLHHi21iTwiTGwd渗流压力是一种体积力，单位是渗流压力是一种体积力，单位是kN/mkN/m3 3。渗流压力的大小和水力。渗流压力的大小和水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。梯度成正比，方向与渗流方向一致。渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 二、渗透破坏类型二、渗透破坏类型渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治1 1、潜蚀、潜蚀在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、滤在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、滤液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中直接带走，这种作用叫潜蚀。直接带走，这种作用叫潜蚀。潜蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处表现为管状涌水潜蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处表现为管状涌水并带出细小颗粒，所以潜蚀也称管涌。并带出细小颗粒，所以潜蚀也称管涌。原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 千里之堤，溃于蚁穴潜蚀的防治潜蚀的防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治2.流砂或流土流砂或流土 在自下而上的渗流发生时，渗流压力的大小超过土重度，在自下而上的渗流发生时，渗流压力的大小超过土重度，土颗粒完全失重，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移土颗粒完全失重，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流土动的现象称为流土(soil boiling)。流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称，所以常称为流沙。为流沙。渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治地震引起的砂土液化地震引起的砂土液化渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治发生流沙的条件发生流沙的条件当当竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）时，土体就处于流土临界时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。会出现流砂现象。以濒临渗透破坏时的水力梯度称为以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。临界水力梯度。edndisswcr11)1)(1(wswdediG11GdGd渗流压力浮重度渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治例例 如图装置，土样厚度如图装置，土样厚度L=25cm，水头差，水头差h=20cm。(1)计算渗流压力的大小；计算渗流压力的大小；(2)若砂土的土粒相对密度若砂土的土粒相对密度2.68,e=0.72,是否会出现流土现是否会出现流土现象？象？(3)若要出现流土，计算最小的水头差。若要出现流土，计算最小的水头差。渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治解解：（1）渗流压力的大小为：）渗流压力的大小为：（2）计算土样的浮重度）计算土样的浮重度 （3）当）当 时刚好发生流土时刚好发生流土 3/8102520mKNLhiGwwd不会出现流土3/76.91072.01168.211dwsGmKNedcrii cmLihLhiiicrcrwcr4.2425976.0976.0渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治回顾p浮密度 ，浮重度p饱和密度 ，饱和重度p水头hp流网satsat2.8 2.8 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力wwhu一一、饱和土体中的孔隙水压（应）力和有效应力饱和土体中的孔隙水压（应）力和有效应力AFN 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有效应力力。我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接。我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法向分力之总和触力的法向分力之总和FN,除以所研究平面的总面除以所研究平面的总面积积A所得到的平均应力来定义有效应力。所得到的平均应力来定义有效应力。FSFSFNFN 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为孔隙水压孔隙水压力力，常以，常以u表示。表示。其值等于该点的测压管水柱高度其值等于该点的测压管水柱高度hw，与水的，与水的重度重度 的乘积。的乘积。w A：Aw：As：土单元的截面积土单元的截面积颗粒接触点的截面积颗粒接触点的截面积孔隙水的截面积孔隙水的截面积SwSwA=A+AA=A+Aaauuu uuuu(1)sAuAu)1(渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力把孔隙水压力和有效应力之和称为把孔隙水压力和有效应力之和称为总应力总应力。uAAFAsN)(uAAAFsN)1(式中：式中：a为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。著名的有效应力原理二二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力12wsathh12wwwuhhh121222wsatwsatwuhhhhhh h2h1粘土层粘土层satsat水水 w w12wsathh1whw w1 12 2u u=h h+h hw w1 12 2u u=h h+h h2h渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力sat 12sathh地下水位下降引起地下水位下降引起 增大的部分增大的部分h h1 1h h2 2=-u-uu=u=w wh h2 2u=u=w wh h2 2地下水位下降会引起地下水位下降会引起增大，土会产生增大，土会产生压缩，这是城市抽水压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个引起地面沉降的一个主要原因。主要原因。渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力（一）渗流方向由上向下（一）渗流方向由上向下hwh12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh h2h1砂层，排水砂层，排水粘土层粘土层satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh2whh12wuhhh三三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力（二）渗流方向由下向上（二）渗流方向由下向上12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh hhwh2h1砂层，承压水砂层，承压水粘土层粘土层satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh12wuhhh2whh渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力hhwh2h1砂层，承压水砂层，承压水粘土层粘土层satsat水水 w w20whh 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力dwwGihh2静水条件和渗流情况下的应力情况比较静水条件和渗流情况下的应力情况比较12wsathh1wh12wuhh2h12wsathh1wh12wuhhh2whh12wsathh1wh2whh12wuhhh渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高度水柱高度(或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重度得到。四四、根据流网确定孔隙水压力根据流网确定孔隙水压力 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压力是由两部分组成的：压力是由两部分组成的：其一其一是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这一部分孔隙水压力称为静孔隙水压力；一部分孔隙水压力称为静孔隙水压力；其二其二是由渗流所引起的，即超过静水是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水压力位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水压力,通常将这一部分孔隙水压力称通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。为超静孔隙水压力。注意注意：土体的超静孔隙水压力：土体的超静孔隙水压力除可由渗流产生以外，荷载（除可由渗流产生以外，荷载（动的或静的）也能够在土体内动的或静的）也能够在土体内引起超静孔隙水应力。引起超静孔隙水应力。渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力【例题例题】如图所示，若地基上的土如图所示，若地基上的土粒相对密度粒相对密度ds为为2.68，孔隙率，孔隙率n为为38.0，试求试求：（1）a点的孔隙水应力和有效应力点的孔隙水应力和有效应力（2）渗流逸出处）渗流逸出处12是否会发生流是否会发生流土？土？（3）图中网格）图中网格9，10，11，12上的上的渗流力是多少？渗流力是多少？渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力a点在第二根等势线上，因此，该点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的测压管水位应比上游水位低h=0.8m，从图中直接量得下游静，从图中直接量得下游静水位至水位至a点的高差点的高差 ha=10m，而超过，而超过下游静水位的高度应为下游静水位的高度应为 ha=h-h8-0.87.2 m。则则a点测压管中的水位高度点测压管中的水位高度 hw ha+ha=10+7.2=17.2 m。所以，所以，a点的孔隙水应力为点的孔隙水应力为 u=whw=9.817.2=168.56 kPa（1）由图中可知，上下游的水位差）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数，等势线的间隔数N10，则相邻两等势线间的水头损失则相邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8m。渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力其中由下游静水位引起的静孔隙水应其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为力为 u=w ha=9.810=98 kPa而由渗流引起的超静孔隙水应力为而由渗流引起的超静孔隙水应力为u=w ha=9.8 7.2=70.56 kPaa点的总应力为点的总应力为 w h1+sat(ha-h2)渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 其中土的饱和重度其中土的饱和重度satsat9.8=w1+(ds-1)(1-n)9.8 1+(2.68-1)(1-0.38)9.820 kN/m3 代入上式得总应力为代入上式得总应力为9.8 10+20(10-2)=98+160=258 kPa 于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为点的有效应力为-u=258-168.56=89.44 kPa渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 从图中直接量得网格从图中直接量得网格1，2，3，4的的平均渗径长度平均渗径长度L=8 m，而任一网格上，而任一网格上的水头损失均为的水头损失均为h=0.8 m，则该网格，则该网格的平均水力梯度为的平均水力梯度为 i=h/L0.8/8=0.1该梯度即近似代表地面该梯度即近似代表地面12处的逸出梯处的逸出梯度度ie。流土的临界水力梯度为流土的临界水力梯度为icr=(ds-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04ie故渗流逸出处故渗流逸出处12不会发生流土现象。不会发生流土现象。（2）渗流逸出处）渗流逸出处12是否会发生流是否会发生流土？土？渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 图中直接量得网格图中直接量得网格9，10，11，12的平均渗径长度的平均渗径长度L=5.0 m，两流线间，两流线间的平均距离的平均距离b=4.4 m，网格的水头损失，网格的水头损失h=0.8 m，所以，所以 作用在该网格上的渗流力为作用在该网格上的渗流力为Gd w(h/L)b Lw b h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m（3）图中网格）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？上的渗流力是多少？渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力例例 有一粘土层位于两砂层之间，地下有一粘土层位于两砂层之间，地下水位线位于地表以下水位线位于地表以下1.5m处，其砂土处，其砂土(水面以上水面以上)的重度的重度=17.6 kN/m3，饱和，饱和重度重度sat=19.6kN/m3；粘土层的饱和重；粘土层的饱和重度度sat=20.6kN/m3，如图所示，若下层，如图所示，若下层砂中有承压水，其测压管水位高出地砂中有承压水，其测压管水位高出地面面3m，计算：，计算：(1)粘土层内的总应力、孔隙水压力及粘土层内的总应力、孔隙水压力及有效应力变化，并绘制其沿深度的分有效应力变化，并绘制其沿深度的分布图（假定承压水头全部损失在粘土布图（假定承压水头全部损失在粘土层中）；层中）；(2)(2)要使粘土层发生流砂，则下层砂中要使粘土层发生流砂，则下层砂中有承压水引起的测压管水位应高出地有承压水引起的测压管水位应高出地面多少？面多少？砂土层粘土层3m3m砂土层地面1.5m1.5m渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力解：解：在粘土层中承压水头全部损失，故在粘土层中承压水头全部损失，故 面中按面中按静水条件计算，先计算总应力及孔隙水压力，然后按照有效应静水条件计算，先计算总应力及孔隙水压力，然后按照有效应力原理，即，力原理，即，计算有效应力，具体如下表：，计算有效应力，具体如下表：aacc u(2)要发生流砂，则，要发生流砂，则，故应使故应使：0 10(1.5 1.53)117.6x5.76()xm渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力对于成层地基，发生流沙对于成层地基，发生流沙的临界条件为有效应力为的临界条件为有效应力为零。零。1 1 7.62 6.4bcd5 5.8a1.5 m9 01 5砂 土 层粘 土 层砂 土 层2 7.62 6.4bcd4 0.81.5 m3 m地 面a3 mu 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力第二章 总结一、几个重要概念一、几个重要概念 渗透渗透 层流层流 湍流湍流 水头水头 水头梯度（水力坡降）水头梯度（水力坡降）渗透力渗透力 孔隙水压力孔隙水压力 有效应力有效应力二、达西定律二、达西定律公式：公式：v=k i 或或 Q=Av=k A i 其中其中：k 是一个重要参数，称为是一个重要参数，称为土的土的渗透系数渗透系数 i为为水力坡降或水力梯度水力坡降或水力梯度，i=h/L，即，即渗流流过单位长度渗流流过单位长度时的水头损失。时的水头损失。适用范围适用范围两种特殊情况：粘土和砾土两种特殊情况：粘土和砾土1.水平渗流水平渗流2.垂直渗流垂直渗流x11 niiikk HHziiHkHk总结 2.流网的应用流网的应用求各点的测管水头求各点的测管水头求各点的水力坡降及流速求各点的水力坡降及流速求渗流量求渗流量流网中最密处，水力坡降最大，渗透力也最大。流网中最密处，水力坡降最大，渗透力也最大。1.对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：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；）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；）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；）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。总结 1.渗透破坏的类型渗透破坏的类型 土工建筑物或地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物或地基由于渗流作用而出现的变形或破坏叫叫渗透变形或渗透破坏渗透变形或渗透破坏。具体可分为两种破坏类型：。具体可分为两种破坏类型：流土：在向上的渗流作用下流土：在向上的渗流作用下，局部土体表面隆起或土，局部土体表面隆起或土颗粒同时起动的现象。颗粒同时起动的现象。管涌：管涌：在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒所形在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒所形成的通道中被移动、带走的现象。成的通道中被移动、带走的现象。2.渗透破坏的判别渗透破坏的判别 只要满足渗透坡降大于临界坡降这一水力条件，均将只要满足渗透坡降大于临界坡降这一水力条件，均将发生流土；是否发生管涌发生流土；是否发生管涌主要决定于土的颗粒级配主要决定于土的颗粒级配。3.渗透变形渗透变形(破坏破坏)的防治措施的防治措施 防治流土防治流土关键在于保证溢出坡降不超过允许坡降；关键在于保证溢出坡降不超过允许坡降；防防止管涌止管涌可以通过降低水力坡降，改变几何条件来实现。可以通过降低水力坡降，改变几何条件来实现。总结土体开始发生土体开始发生流土流土破坏时的水力坡降称为临界水力坡降。破坏时的水力坡降称为临界水力坡降。此时的渗透力此时的渗透力 Gd=w icr=，即：渗透力，即：渗透力=土骨架的自土骨架的自重。重。edndisswcr11)1)(1(总结六、渗流情况下的有效应力和孔隙水压力六、渗流情况下的有效应力和孔隙水压力1、有效应力原理、有效应力原理2、静水条件下水平面上的孔隙水压力和有效应力、静水条件下水平面上的孔隙水压力和有效应力3、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水压力和有效应力、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水压力和有效应力u121222wsatwsatwuhhhhhh 121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh 121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh 由上向下渗流由上向下渗流由下向上渗流由下向上渗流总结静水条件和渗流情况下的应力情况比较静水条件和渗流情况下的应力情况比较12wsathh1wh12wuhh2h12wsathh1wh12wuhhh2whh12wsathh1wh2whh12wuhhh总结习题：习题：End of Chapter2结束基马式渗透仪基马式渗透仪南南55渗透仪渗透仪