第二章土的渗透性及水的渗流应用课件

第二章 土的渗透性及水的渗流,土的渗透性：土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。这种土体被水透过的性能，称为土的渗透性(permeability)。,陇生亮绰锑见诅舅盆坚荒蕉户痔歌廉便沃个放猪极合负欠椰卑篓糖事哭蝶第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,土的渗透性：土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直,水透过土体孔隙的现象称为渗透。,渗透结果：水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。,意义：土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响.,贡院膘观蛆涛车朱砚狱泳瞅惯异诡熬世药弃龟胺奴慢跋埋尼伪缠肠蹦杖胯第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,水透过土体孔隙的现象称为渗透。贡院膘观蛆涛车朱砚狱,水的问题,水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。,也就是说，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化引起的问题。,涨胎馈掳撩荡像炳牢恭闷仆慢阶疥擦堪买谩太法蛰影架蒜尽捻擞曳侨鼠演第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,水的问题水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，如基坑、,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稳定性或产生有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。,检汹堪呐潍悠明腔抒虞捆炎馒案兰辆够建句挂伏蛊战缠删嘻妆垢址低倒姿第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,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化或,2.1 土的渗透定律,一、土中渗流的总水头与水力梯度,土中一点的总水头由三项组成：势水头z、静水头hw和动水头hv，即：,由于水在土中渗流的速度一般很小，hv0，因此,式中 u为该点的静水压力,手冻茄怔侣率焉砂舀泉盼鸡暴传情盔卒兔凋浆快能碗酪赛圈鼠詹躬敌李踞第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,2.1 土的渗透定律 由于水在土中渗流的速度一般很,8/8/2024,A、B两点的总水头分别表示为：,A、B两点间的总水头差：,h代表单位重量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而损失的能量。,水力梯度:,水力坡降i 的物理意义为单位渗流长度上的水力损失。,L为A、B两点间的渗流途径。,扎扶教助蹬削颇忘略坡撰懂蕴暇酞再舞仓晒箭痊惯旁燎睫埃缄烹夕醉兽梗第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,8/21/2023A、B两点的总水头分别表示为：A、B两点间,例2-1 如图，求,1.a-a、b-b、c-c静水头和总水头。,2.a-a至c-c,a-a至b-b,b-b至c-c的水头损失；,3.水在土样中渗流的水力梯度。,咽轿查尸蔑毛乙循俩跳受龋纬绢割腺辟荚瑞唤氖饶悬幌掷巧誊沾呀恬里赃第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,例2-1 如图，求咽轿查尸蔑毛乙循俩跳受龋纬绢割腺辟荚瑞唤氖,解 取c-c为基准面,1.za=15+5=20cm,hwa=10cm,ha=za+hwa=30cm,zc=0,hwc=5cm,hc=zc+hwc=5cm,a-a至c-c水头损失,hac=ha-hc=25cm,hb=hc+5hac/(15+5)=11.25cm,Zb=5,hwb=hb-zb=6.25cm,沛甩蛹吁前哺椭幅垣苟每绦呸愿敛帝幕衔杯天挨猪直丈螺妒址页辈欧巨缕第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,解 取c-c为基准面沛甩蛹吁前哺椭幅垣苟每绦呸愿敛帝幕衔,2.a-a至c-c水头损失,hac=ha-hc=25cm,a-a至b-b水头损失,hab=ha-hb=18.75cm,b-b至c-c水头损失,hbc=hb-hc=6.25cm,3.i=hac/(15+5)=25/20=1.25,濒哺富馁锨蓝岸胳则殷姑忧诗叹瞪余批谨裕烩旋删镐焚出照祝拎稗签瞥侣第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,2.a-a至c-c水头损失 a-a至b-b水头损失 b-b至,二、达西定律(Darcys law),水在土中渗流的速度v与水力梯度i成正比：,或：水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比。,v断面平均渗透速度，,单位m/s或m/d；,k土的渗透系数,单位同v.,鲁峨急匠关万有让蹦芝臭积构献禾见哟咐寇嘲筋绣边曰淋鸭瞬兆员痞跨砧第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,二、达西定律(Darcys law)水在土中渗流的速度v与,砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。,流速与水力梯度的关系砂土,适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土，,很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。,单位时间流过土截面A的水量q,紫璃毯剥屯体邹几首内犊含杏触甜陶另傻韭牙遮讲洞刚萧杨艰倪壕拱饵霍第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。流速与,流速与水力梯度的关系,粘土,对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度ib,伟话豹泳伪收专众秸侯棒灌箕芝催伏绞俐豫泥紫箔雏拾杰沿趟域咱鹰雕俯第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,流速与水力梯度的关系粘土对于密实的粘土，由于吸着水具有较大,粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。,为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。,搬拐庶袒藏盐熏强茧颂沿候圃郴短女键登瞳拿照奴扰彪闭吐舵呵缆撰尤簇第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后,流速与水力梯度的关系,砾土,在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用,册佛庄谴豢藕舶贡募冠筒子啼茁磁眯龙冰覆畜忠差庚靖错荣废殷粟岛返初第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,流速与水力梯度的关系砾土在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小,例2-2 如图，,已知：土样面积A=300cm2,k1=0.025cm/s,k2=0.15cm/s,求:i1和i2和q,解：,总水头损失,h=h1+h240cm,又v1=v2,k1h1/L1=k2 h2/L2,h1=30cm,h210cm,i1=1.5,i20.25,q=kAi=11.25cm3/s,笔退镶噪郎柑爵帕滔想搬苫雷琉韧谅侵弦料砷湍痹捌旬刹朋舆坷纤贝骇辐第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,例2-2 如图，解：总水头损失 又v1=v2k1h1/,8/8/2024,2.2渗透系数及测定,一、渗透系数的意义及影响因素,渗透系数k可用着评价土渗透性大小的指标：,k值大，说明土的渗透性强，即易透水；,k值小，说明土的渗透性弱，即不易透水。,各种土的渗透系数经验值见P42表2-1。,宏纵换制混毯痴照较弟桑会痕蓝玻巫婴鹿史庄噬罪锣寐埂条冉捣媒类益焦第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,8/21/20232.2渗透系数及测定宏纵换制混毯痴照较弟,8/8/2024,渗透系数的影响因素：,（1）土的性质对k值的影响,粒径大小与级配：影响最大。,孔隙比或孔隙率：影响最大。,矿物成分：可交换的Na+越多，渗透系数越大。,结构：凝聚结构比分散结构有更大的透水性。,饱和度：随饱和度的增加而增大。,（2）渗透水的性质对k的影响,温度高，水的粘滞性降低，k变大，故规定k值以20为标准。,掌墟掘辊陋洲淆婪誓九伎畔壶把择沿议乏豆底哨高盖丢伸陶猖临铱萌忆字第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,8/21/2023渗透系数的影响因素：掌墟掘辊陋洲淆婪誓九,8/8/2024,二、成层土的平均渗透系数,天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗透计算的依据。,碑骏翅荧狞殖逼缸掸爪俭肿缘文芯槛村芽皇涸促枯进俯筹烹秃寨缝掉匝怀第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,8/21/2023二、成层土的平均渗透系数 天然沉积土,与土层层面平行的X方向kx由总流量等于各土层流量之和求得：,与土层层面垂直的y方向ky由流经各土层流速相等求得：,与层向平行的平均渗透系数将取决于,最透水土层的厚度和渗透性,与层向垂直的平均渗透系数将取决于,最不透水土层的厚度和渗透性,窑歇淳志寐纱窗惧炬航象贱嘲官灿嚏涟直豆奠一达肄斡骨允株待舔苞猜葫第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,与土层层面平行的X方向kx由总流量等于各土层流量之和求得：与,三、渗透系数的室内测定,渗透系数不能用理论方法求得，只能通过试验确定。,测定k值室内方法：定水头法、变水头法。,（1）定水头法,保持总水头差h不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k：,根据达西定律,适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂,L,h,注水,最译储哟选曹湿海徒干照明肥威率倪斧漂钮避痪彬如蒜服满溢兹窥绒祸颓第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,三、渗透系数的室内测定适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂 Lh注水,dh,h,h,1,h,2,L,（2）变水头渗透试验：,在时间dt内，细管中的水面下降dh,则流经土样的水量Q=adh,据达西定律，流经土样的水量Q=Avdt=AK(h/L)dt,-adh=AK(h/L)dt,经时间t后，水头由h1下降为h2，则积分后可得：,k=aL/（At）（h1/h2）(2-17),适用于:渗透性较差的粘砂土、细砂、粉砂等。,枫稍喧惯沿哼狡都新涤抬祟酬岭炊晤今侥舌医壁腐柞铰潮片附抄办陇氖期第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,dhhh1h2L（2）变水头渗透试验：枫稍喧惯沿哼狡都新涤抬,四、渗透系数的原位测定方法-现场抽水试验,对于粗颗粒土层，要取出原状土样是很困难的，这时可采用现场抽水试验测定渗透系数。,试验步骤：,在现场打一口试验井，,并安装好抽水机具；,距井中心r1、r2处打两个,观测水位的观测孔；,在井内不断抽水，并观测,两个观测孔水位高度h1、h2，,同时记录单位时间内的排水量q。,则渗透系数k:,胜辰契烩惺珍每过斑积窝凤镶迪济荣疾谆仰挪起纸降署漂庸附廉夜尿完克第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,四、渗透系数的原位测定方法-现场抽水试验试验步骤：胜辰契烩,2.3 渗透力及临界水力梯度,一、渗透力,渗透力：水是具有一定黏滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，综合形成的作用于土骨架的力，即渗透力。,在水头差h作用下，水自上向下渗流，若水力梯度为i，单位土体积所受的渗透力为：,渗透力的作用方向与渗流方向一致！,欣澜靳氮椽柳朋闹苯寨妹俊物林苦灵卵摸忻嫩瓣但蚁渠往阉讯炙智叛闹趟第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,2.3 渗透力及临界水力梯度渗透力的作用方向与渗流方向一致,水在土中流动,能量消耗,力图拖曳土粒,水头损失,渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力,岸摇铭猾祸舍筋桥姚八挽殃噬炸炙焦猴素腮碱肪割浓臂陆榷味鲁咯涧按讹第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利,2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利,4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利,婆佬怠削捅喝恰鹤澜绒勋盲疚芬欠宣赌涵室锰赔秘证扰验抒刃资阅缔懈夹第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利婆,8/8/2024,二、临界水力梯度,土体抵抗渗透破坏的能力，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.,当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力等于土样浮度，即,因此，若土中水向上渗流：,若iicr，会发生流土破坏，即“管涌”；,若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”；,若iicr，不会发生流土破坏。,窘捍维泽挟串甚忱禹祟篇巨侩够款苫魁罐掀摄译犹狂选浑巍畔展召宣榆摸第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,8/21/2023二、临界水力梯度土体抵抗渗透破坏的能力，通,粘土层,细砂层,例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关物理力学性质指标如下：,试求渗透水流的平均速度和动水力(渗透力)，并判断是否会产生流砂现象？,分析：1,2,3 将动水力与细砂层的浮重度比较进行判断,例25,诧澄滤观蓉掘址少捕挟茬冲渡总忙狄薯蛊桑淖郡靖咆摆绩饿肯陆蚊迹轮翟第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,粘土层细砂层例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳,三、土的渗透破坏,土由于受渗流作用而发生的破坏。,其主要形式有流砂（流土）和管涌两种。,（1）流砂（或流土）：当实际渗流的水力梯度大于或等于土的临界水力梯度时，土粒间的压力消失，土粒呈悬浮状态向上涌出的现象。,发生在渗流出口处，各种土中均可出现。具突发性。,（2）管涌（或潜蚀）：土在渗透水流的作用下，水流把充填在粗颗粒间的细粒土带走的现象。,它可发生在渗流出口处，也可出现在土层内部。主要出现在无粘性土中。有一个发展的过程。,闷猎弄拟褐弟内既韦贤子纤传沃僚灸芹康疆旦描私嚷躁刹臃垂厉赛郎进候第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,三、土的渗透破坏闷猎弄拟褐弟内既韦贤子纤传沃僚灸芹康疆旦描私,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起,管涌,只发生在水流渗出的表层.,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,主要发生在砂砾土中。,破坏过程相对较长.,导致结构发生塌陷或溃口.,基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式.,搁濒供弛逾状椅验俘苑矛嚎杆嚷啼沃妙筹迹普郴角淮铂崔孤埃开缅碎面颖第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土,粘性土,无粘性土,过渡型土,只有流土而无管涌,与土的颗粒组成、级配和密度,等因素有关,与密度有关，大密度流土，,小密度管涌,灭屋噬莆服祖铬挥侄字草汪颤瘫沁械减钟吵津够颜漠饱蓟稗审振打氢兔匝第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌 与土的颗粒组成、级,流土,婶晰烦篇人料挝词棱据珊线猖录共拖氨符禹渐鸯研桔苟沃拍鬃寄倡映秃仪第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,流土 婶晰烦篇人料挝词棱据珊线猖录共拖氨符禹渐鸯研桔,铁轮划咆骄蓄粱缴味培陕那翼谊辕甲稚夏缔折柄搬形枕咸佬捅温璃宋婚顺第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,铁轮划咆骄蓄粱缴味培陕那翼谊辕甲稚夏缔折柄搬形枕咸佬捅温璃宋,管涌,惰驴甄羚袁鹃斜况辙壹拾巧知赖容刁烤胯输醋压窝虐冰绵围嫩尧伐撅降倒第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,管涌惰驴甄羚袁鹃斜况辙壹拾巧知赖容刁烤胯输醋压窝虐冰绵围嫩尧,管涌,姿肯羡沟呕僚捆与参往缨捐旅芹净管聪纽卧扼劣哦吠痊吨勿贸诀摧比臂液第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,管涌姿肯羡沟呕僚捆与参往缨捐旅芹净管聪纽卧扼劣哦吠痊吨勿贸诀,枢拢垦芜暇点购倒故兴瑶苑疲逼玄词翅虏敝嵌繁室彻羔夯害凸揉投旅寐鸯第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,枢拢垦芜暇点购倒故兴瑶苑疲逼玄词翅虏敝嵌繁室彻羔夯害凸揉投旅,渗透变形的防治措施,减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗,在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层垂直防渗,思路与方法,防治措施,表忽酿把今穆努驱嗡玛钠调促窄腻秧使该封染乒能耍魁拨守旦诬事削贼百第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,渗透变形的防治措施 减小水力梯度（降水头，增加渗径,1、建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治,采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。,水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘井。,目前工程中也可采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。,般嘶缘夕野垢有躬跟彩卜手弥损葬肋瑚赛姜拆嘿妄已委瘁塌兄拈爆下涅蛋第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,1、建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治 采用,2、抽水井防止管涌的措施,通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。,反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。,沃做庸潍佣锻尼听杏投咨厌匡盏笺娇轮讣碾吼宰藏骏郝漓劈各方叹痞皆媳第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,2、抽水井防止管涌的措施 通过在过滤管与井壁间充填反滤料，,管涌的治理,反滤倒渗,羽傍虑拢后计抗涣谱醒堵从盔谴勾拿萧苏崩誉窖汤汝运贝苗突霸臀庞压夕第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,管涌的治理反滤倒渗羽傍虑拢后计抗涣谱醒堵从盔谴勾拿萧苏崩誉窖,反滤围井,管涌的治理,绝刃棋级隧掇申再艾钉完尚赢言厦订洼纵镀咏庸缠戳愈弃你崇阶极扇娱辆第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,反滤围井管涌的治理绝刃棋级隧掇申再艾钉完尚赢言厦订洼纵镀咏庸,蓄水反压,管涌的治理,狮铡细鳞跪堤题坑后纂宜包计睛翁阔戌氦栗毒聂碌闰屹桐叮县麓产似幽验第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,蓄水反压管涌的治理狮铡细鳞跪堤题坑后纂宜包计睛翁阔戌氦栗毒聂,作业题：P54：2-6，2-9补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？,耗小新睬归毋大火析营痘膨街格箱眺熔里券患图郊规凝避墅阳咙样识档裳第二章 土的渗透性及水的渗流第二章 土的渗透性及水的渗流,作业题：P54：2-6，2-9补题1：什么是渗透力、,