土力学 第2章 土的渗透性与渗流

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,郑州大学土木工程学院,土力学,授课者 刘忠玉,第二章 土的渗透性与渗流,第一节 概述,第二节 土的渗透性与达西定律,第三节 渗透系数的测定及其影响因素,第四节 二维渗流、流网及工程应用,第五节 渗流力与渗透破坏,第一节 土的渗透问题概述,浸润线,流线,等势线,下游,上游,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,H,隧道开挖时，地下水向隧道内流动,在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为,渗透,(permeability),或,渗流,(seepage),闸基渗流模拟,基坑渗流模拟,第二节 土的渗透性与达西定律,一、地下水的运动方式,1,。层流和湍流,2,。稳定流和非稳定流,3,。单向流动，二维流动和三维流动,二、水头和水力坡降的概念,三、,达西定律,1856,年法国学者,Darcy,对,砂土,的渗透性进行研究,结论：,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,v=,ki,达西定律,i,-,水力梯度,(hydraulic gradient),，,即沿渗流方向单,位距离的水头损失,k,-,渗透系数,(,permeability coefficient),v,-,渗透速度,(seepage velocity),，,非真实流速,四、达西定律适用范围与起始水头坡降,达西定律,讨论：,1.,砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系,2.,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透,;,同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,i,b,计算起始水力坡降,虚直线简化,v=,ki,i,v,O,砂土,0,i,v,密实粘土,在砾类土和巨粒土中，若水头梯度较大，水在其中的流动大多是紊流状态，呈非线性关系；只有在较小的水头梯度时，才可能是线性的,达西定律适用于饱和砂土、层流，不适用于紊流,0,i,v,砾土,第三节 渗透系数的测,定及影响因素,一、渗透试验（室内）,时间,t,内流出的水量,1.,常水头试验,整个试验过程中水头保持不变,适用于透水性大（,k,10,-3,cm/s,）,的土，例如砂土。,2,、,变水头试验,整个试验过程水头随时间变化,截面面积,a,任一时刻,t,的水头差为,h,，,经时段,d,t,后，细玻璃管中水位降落,d,h,，,在时段,d,t,内流经试样的水量,d,Q,=,a,d,h,在时段,dt,内流经试样的水量,dQ,=,kiA,d,t,=,kAh/L,d,t,管内减少水量流经试样水量,a,d,h,=,kAh/L,d,t,分离变量,积分,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,二、现场抽水试验,根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻至不透水层时称为,完整井,井底未钻至不透水层时称,非完整井,无压完整井,无压非完整井,三、影响渗透系数的因素,1.,土粒大小与级配,细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,2.,土的密实度,3.,水的动力粘滞系数,同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。,动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。,4.,土中封闭气体含量,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,T,、,20,分别为,T,和,20,时水的动力粘滞系数，可查表,四、成层土的渗透性,第四节 二维渗流、流网及工程应用,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,势函数，流函数，均满足拉普拉斯方程,等势线，流线，互相垂直,二、平面渗流的流网解法,三、流网的工程应用,任意两等势线间的水头差,渗流速度,单宽流量,孔隙水压力,第五节 渗流力与渗流破坏,1,、,渗流力和临界水头梯度,渗流力,(seepage force),渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,h,2,h,1,h,2,1,L,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差,h,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为,h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力,J,和土粒对水流的阻力,F,大小相等，方向相反,渗流作用于单位土体的力,说明：,渗流力,j,是渗流对,单位土体,的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为,kN/m,3,渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,2,、渗透变形,(seepage deformation),渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形,渗透变形问题（流土，管涌）,(1),流土,(soil flow,floating earth,quick sand),在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏,(2),管涌,(piping),或,潜蚀,(,suffosion,),在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象,土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏,(3),流土与管涌的判别,渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关,粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数,C,u,10,的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏,对,C,u,10,的砂和砾石、卵石，分两种情况,:,1.,当孔隙中细粒含量较少（小于,30%,）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌,2.,如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为,30%,35%,），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,3,、临,界水头坡降,(critical hydraulic gradient),使土体开始发生渗透变形的水头梯度,G,J,流土：,当土块的水下重力与渗透力相等,或,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数,Fs,(2,3),，,作为允许水力坡降,i,。,设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降,i,内,管涌：,4,、防渗处理措施,1.,水工建筑物渗流处理措施,水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形,垂直截渗,主要目的,:,延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗,设置水平铺盖,上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径,粘土铺盖,设置反滤层,砂垫层,水位,加筋土工布,回填中粗砂,抛石棱体,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用,。,反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层,排水减压,粘性土,含水层,减压井,为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽,2.,基坑开挖防渗措施,工程降水,采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,原地下水位,明沟排水,原水位面,一级抽水后水位,二级抽水后水位,多级井点降水,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,钢板桩,水下挖掘,在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘,