第二章土的渗透性及水的渗流课件

土中水结合水自由水强结合水弱结合自由水重力水毛细水自由水地下水位以下，土颗粒电分子引力范围以外，仅在本身重力作用下运动的水2.1 概述概述1 地下水按埋藏地下水按埋藏条件分为：条件分为：潜水潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上 的具有自由水面的地下水。上层滞水上层滞水：埋藏在地表浅处，局部隔水透镜体 上部，且具有自由水面的地下水。承压水承压水：是指充满于两个稳定隔水层之间的含 水层中的地下水。2.1 概述概述2不饱和土不饱和土上层滞水上层滞水潜水潜水承压水承压水毛细水（地下水位以上毛细水（地下水位以上)地下水位地下水位(潜水）潜水）饱和土饱和土2.1 概述概述3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。渗透性土具有被水透过的性能称为土的渗透性。2.1 概述概述42.2 达西定律达西定律一、伯努里定理（能量守恒原理）一、伯努里定理（能量守恒原理）（位置水头）（压力水头）（总水头）（位置水头）（压力水头）（总水头）位置水头位置水头z：从基准面到计 算点的高度。压力水头压力水头：测压管中水位高。总水头总水头h：从基准面到测压管 上部水位高。水头损失水头损失=h1-h2u 静水压力静水压力52.2 达西定律达西定律二、达西定律二、达西定律流速流速v与水力梯度与水力梯度 i 成正比成正比v=k i式中：式中：i水头梯度：单位流程的水头损失。水头梯度：单位流程的水头损失。k渗透系数，渗透系数，cm/s，表示水通过的难易程度，可由试验确定。，表示水通过的难易程度，可由试验确定。v水在土中的渗透速度，水在土中的渗透速度，cm/s，是在单位时间内通过单位土截，是在单位时间内通过单位土截面面(cm2)的水量的水量Q（cm3),即即 v=Q/(At)62.3 渗透系数渗透系数确定渗透系数确定渗透系数K 的方法的方法室内渗透试验变水头渗透试验变水头渗透试验常水头渗透试验常水头渗透试验现场抽水试验经验值：各种土的渗透系数参考值各种土的渗透系数参考值72.3 渗透系数渗透系数一、常水头渗透试验一、常水头渗透试验常水头渗透试验所以所以式中：式中：q单位时间的透水量,cm3/s Q透水量,cm3 t 透水时间,s v 渗流速度,cm/s A透水断面积,cm2h 水位差，cml 渗流路线长,cmk渗透系数,cm/si水力坡度82.3 渗透系数渗透系数二、变水头渗透试验二、变水头渗透试验变水头渗透试验所以土试料的透水量=测压管中水下降的体积9地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Qr1Rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井2.3 渗透系数渗透系数三、现场抽水试验三、现场抽水试验所以现场抽水试验102.3 渗透系数渗透系数 某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1、H2、Hn，垂直透水系数分别是kz1、kz2、kzn，水平透水系数分别是kx1、kx2、kxn，如果上下面的总水头差是h试根据图（试根据图（a a）试根据图（试根据图（b b）求垂直透水时总垂直透水系数求垂直透水时总垂直透水系数k kz z提示：提示：求水平透水时总水平透水系数求水平透水时总水平透水系数k kx x提示提示：HH1HiHnKz1KziKznqz1qziqzn(a)HH1HiHnKx1KxiKxnqx1qxiqxn(b)例例 题题2.12.1112.3 渗透系数渗透系数HH1HiHnKz1KziKznqz1qziqzn(a)1 1、求垂直透水时总垂直透水系数、求垂直透水时总垂直透水系数k kz z解：解：因为流过各层的垂直流量相等，则通过单位面积的垂直流量为：对于整个透水层，根据达西定律所以所以122.3 渗透系数渗透系数HH1HiHnKx1KxiKxnqx1qxiqxn(b)解：解：2 2、求水平透水时总水平透水系数、求水平透水时总水平透水系数k kx x因为各层的水力坡度相等设单位厚度的水平流量为qx，则由达西定律因为因为所以所以132.4 流沙、管涌流沙、管涌一、渗透力一、渗透力基准面测压管断面积a位置水头z1位置水头z2压力水头h2压力水头h1渗透力渗透力 j：渗流水对土骨架的作用渗流水对土骨架的作用力力LAB1.A、B两端的静水力：总水头H1总水头H2分析水柱受力分析水柱受力2.水柱自重：3.土骨架对渗流水的总阻力：TLaTLa沿水柱方向列平衡方程沿水柱方向列平衡方程14基准面测压管断面积a位置水头z1位置水头z2压力水头h2压力水头h1LAB总水头H1TLa2.4 流沙、管涌流沙、管涌一、渗透力一、渗透力所以渗透力渗透力 j 为方程两边同除以a，并以h1=H1 z1h2=H2 z2代入上式得：因为15j 的性质：1 为体积力；2 大小与i成正比；3 作用方向与渗流方向一致。2.4 流沙、管涌流沙、管涌一、渗透力一、渗透力16粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体流砂流砂在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象移动的现象渗流渗流2.4 流沙、管涌流沙、管涌二、流砂、管涌二、流砂、管涌172.4 流沙、管涌流沙、管涌二、流砂、管涌二、流砂、管涌1、流砂：、流砂：基坑开挖工程采用坑内抽水时，当时，砂土随水流动的现象。2、流砂的危害：、流砂的危害：3、流砂产生的条件、流砂产生的条件4、流砂的防治、流砂的防治工程；相临建筑（1）土质：细砂、粉砂、粉土（2）水流方向（3）渗透力大于等于有效重度（1）减小渗透力j，即减小水力坡度i，（2）加大有效重度换土、反压。减小水位差降低地下水位；增长渗流路线长（3）改变水流方向，增加渗流途径。182.4 流沙、管涌流沙、管涌临界水力坡度临界水力坡度icr当当向上作用的渗透力向上作用的渗透力j等于土的有效重等于土的有效重度（浮重度）度（浮重度）r 时，土粒间失去压力，呈悬浮状态时，土粒间失去压力，呈悬浮状态二、流砂、管涌二、流砂、管涌192.4 流沙、管涌流沙、管涌在渗流水的作用下，土中细小颗粒穿过粗颗粒间的孔隙被在渗流水的作用下，土中细小颗粒穿过粗颗粒间的孔隙被渗流带走，在土中形成贯通的渗流管道。渗流带走，在土中形成贯通的渗流管道。二、流砂、管涌二、流砂、管涌管涌管涌20 2019.8.222019.8.22湘江大堤望城靖港镇东湖湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。大堤从凌晨大堤从凌晨1 1时出现的险情到下午时出现的险情到下午5 5点得到点得到了完全控制。了完全控制。2.4 流沙、管涌流沙、管涌最大的管涌处最大的管涌处最大的管涌处212 2-5 5 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把饱和土体饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为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。2 2-5 5 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：总应力总应力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：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水下的饱和土体，设土面至水面的距离为hh11,土土的饱和容重为的饱和容重为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上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于wwhh11，面面a-aa-a平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为1、向下渗流的情况：a-aa-a平面上的总应力仍保持不变，等于平面上的总应力仍保持不变，等于于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a-aa-a平面上的有效应力为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，与静水情况相比，当有向下渗流作用时，a-aa-a平面上的总应力保持不平面上的总应力保持不变，孔隙水应力减少了变，孔隙水应力减少了wwhh。因而，证明了因而，证明了总应力不变的条件下孔隙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水应力的减少等于有效应力的等量增加。2 2、向上渗流、向上渗流的情况的情况：与静水情况相比，当有向上渗流作用时，与静水情况相比，当有向上渗流作用时，a-aa-a平面上的总应力保持不变，孔平面上的总应力保持不变，孔隙水应力增加了隙水应力增加了wwhh，而有效应力相应地减少了而有效应力相应地减少了wwhh 。因而，又一次证明。因而，又一次证明在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-aa-a平面上的总应力平面上的总应力a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为a-aa-a平面上的孔隙水应力平面上的孔隙水应力2 2、向上渗流、向上渗流的情况的情况：若若a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为流土发生：流土发生：如图所示，粗砂层中承压水通过粉土2、粉土1向上渗透，通过抽水使水位保持在坑底以下0.3m。粉土层1在水位以上的重度为18.5kN/m3，饱和重度为19.5kN/m3，渗透系数为1.2510-4cm/s;粉土层2的饱和重度为19.8kN/m3，渗透系数为1.010-4cm/s.(1)计算A点处的水位高度hwA；(2)判断粉土1是否会发生渗透破坏。例例 题题2.22.230解：（1）B截面上v1=v231 (1)(2)(1)=(2),hwc=5m，有见图：则：32（2）有0.3m厚反压层存在，粉土1层B截面偏上有故粉土层1不会发生渗透破坏！注：有反压层存在时，不能仅考虑是否B截面处：33小结小结概概 述述渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素渗透力：渗透力：概念与计算概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件，防治类型，条件，防治34