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1、1,土的渗透性及渗流,第三章,2,3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章 土的渗透性及渗流,3,本章特点 学习要点 主要难点,有较严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒体多孔介质特性） 注重对物理概念和意义的深入理解 注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降 渗透力及其分析方法,4,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等流体透过的性质,渗透特性 强度特性 变形特性,非饱和土的渗透性,饱和土的渗透性,3.1 概述,能量差,渗透,水、气等在土体孔隙中透过的现象
2、,5,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3.1 概述,6,渗水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述,7,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3.1 概述,8,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,3.1 概述,9,渗流滑坡,渗流滑坡,3.1 概述,10,渗流量,渗透破坏,渗流控制,3.1 概述,11,3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章 土的渗透性及渗流,12,h1,h2,zA,zB,h,0,0,
3、基准面,水力坡降线,Bernoulli定理： 水头单位重量水体所具有的能量,z：位置水头,u/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,水头：,水力坡降：,水头差：,测管水头,3.2 土的渗透性,3.2.1 渗流基本概念,13,试验前提：层流,h，q A，q L， q,断面平均流速,水力梯度,层流：相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。,试验结果,试验装置：如图,试验条件: h1，A，L=const,量测变量: h2，V，T,h=h1-h2,q = Q/t,3.2 土的渗透性,3.2.2 土的层流渗透定律,14,达西定律,渗透定律,在层流状态的渗流中，渗透速度v
4、与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,注意：,A,Av,v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A Av,qvA vsAv,k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力梯度i1时的渗流速度,单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,3.2.2 土的层流渗透定律,3.2 土的渗透性,15,适用条件：,层流（线性流）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。 可用雷诺数Re进行判断：,Re5时层流Re 200
5、时紊流200 Re 5时为过渡区,3.2.2 土的层流渗透定律,3.2 土的渗透性,16,（1）粗粒土： 砾石类土中的渗流常不符合达西定律 砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,两种特例：,（2）粘性土： 致密的粘土 i i0,(起始水力坡降） v = k(i - i0 ),3.2.2 土的层流渗透定律,3.2 土的渗透性,17,室内试验测定方法 野外试验测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,3.2 土的渗透性,3.2.3 渗透试验及渗透系数,K：反映土的渗透能力的定量指标。 渗透计算必须使用的基本参数。,18,1、室
6、内渗透试验测定渗透系数 常水头试验法,结果整理,试验装置：如图,试验条件: h，A，L=const,量测变量: Q，t,i=h/L,Q=qt=vAt,v=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,3.2.3 渗透试验及渗透系数,变水头试验法,透水性较小的粘性土?,3.2 土的渗透性,19,变水头试验法,试验装置：如图,试验条件: h变化，A，L=const,量测变量: h ，t,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,20,结果整理:,t时刻： h,dt,dh,dQe= - adh,dQo=kiAdt=k (h/L)Adt,dVe=dVo,流入量：
7、,流出量：,连续性条件：,-adh =k (h/L)Adt,选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,21,2、 现场测定渗透系数,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,地下水位测压管水面,井,抽水量Q,r1,r,r2,dh,dr,h1,h,h2,不透水层,观察井,A=2rh,i=dh/dr,缺点：费用较高，耗时较长,实验方法：井孔抽水,积分,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,22,3.影响渗透系数的主要因素,粒径大小及级配 孔隙比密实度 矿物成分 结构,饱和度（含气量） 温度水的动力粘滞系数,3.2.3 渗透
8、试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,23,粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。 图3-10b。,（1）土粒特性的影响,孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。图3-10ac。,矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。,结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平 k垂直；在
9、微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。图3-11。,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,24,饱和度 sr(%),渗透系数k(10-3cm/s),8 7 6 5 4 3 2,80 90 100,饱和度的影响,流体粘滞性的影响,温度高,粘滞性低,渗透系数大,封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道,（2）流体特性的影响,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,（3）土的构造,25,4.渗透系数k的经验确定方法,P71,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,26,5.层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确
10、立各层的km 考虑渗流方向,天然土层多呈层状,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,27,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qmx=kmimHm,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土的渗透性,(3-20),28,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,(3-21),29,Kx 按层厚加权平均，由较大值控制,Kz 倒数按层厚加权平均，由较小值控制,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.2 土
11、的渗透性,30,3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章 土的渗透性及渗流,31,3.4.1 渗透力,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,3.4 渗透破坏与控制,渗透力/动水力： 单位体积土颗粒所受到的渗流作用力。,32,土粒,渗 流,j,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,渗透力与浮力有何区别？,33,P2,W,P
12、1,R,静水中的土体,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L( + w) + whw,R = L,土水整体分析,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,34,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W = LsatL( + w),P1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L( + w)+ whw,R = L wh,R = L,渗流中的土体,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,35,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1
13、,R = L wh,R = L,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,减少的部分由谁承担？,水与土之间的作用力渗流的拖曳力,总渗透力,J = wh,渗透力,j = J/V = wh/L = wi,j = wi,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,36,P2,W,P1,R,A=1,R = L wh,渗流中的土体所受滤网支持力,向上渗流存在时，滤网支持力减少,临界水力梯度：,i = h/L = /w,icr = /w, L wh = 0,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,37,P1+ Ww+ J = P2,水体的平衡条件,j = wi,whw+ wL + j L= wh1
14、,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1 = whw,P2 = wh1,Ww= Vvw+ Vsw= Lw,土水隔离分析,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,38,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j = wi,大小：,方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）,作用对象：土骨架,3.4.1 渗透力,3.4 渗透破坏与控制,量纲：kN/m 3;,基本类型,流土,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,形成条件,防治措施,3.4 渗透破坏与控制,3.4.2 流砂或流土现象,40,流砂现象/ 流土现象,在向上的渗流力作用下，粒
15、件间有效应力为零，颗粒群发生悬浮、移动的现象。,渗流,原因：,3.4.2 流砂或流土现象,3.4 渗透破坏与控制,临界水力梯度Icr:使土发生流砂现象时的水力梯度。,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许水力梯度,i icr :,i = icr :,i icr :,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,经验判断：,无压重时：,3.4.2 流砂或流土现象,3.4 渗透破坏与控制,产生条件：,防治措施：,增大i：下游增加透水盖重,防治流土,减小i ：上游延长渗径； 下游减小水压,3.4.2 流砂或流土现象,3.4 渗透破坏与控制,43,管 涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形
16、成大于细粒径的孔隙通道,外因渗透力足够大,在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致流失；随着孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致在土中形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。,管涌,管涌破坏,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,44,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,潜蚀：自然条件下产生的管涌现象。包括：机械潜蚀和化学潜蚀。,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,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,
17、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,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,较均匀土 （Cu10）,管涌,几何条件,水力条件,一般发生在无粘性土中,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗粒形成的孔隙通道小于细粒径,不均 匀土 （Cu10）,不连续,连续,D0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,D0 d3,D0 d5,D0 = d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,几何条件,骨架,充填料,P,5,
18、3,d5,d3,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,形成条件：,47,水力条件：i icr,5 10 15 20 25 30 35 40,2.0 1.5 1.0 0.5 0,icr,Cu,流土,过渡,管涌,Cu 20时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15,苏联：,中国：,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,防治措施：,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,3.4.3 管涌和潜蚀现象,3.4 渗透破坏与控制,49,小结,工程实例,渗流问题,土的渗透性及渗透规律,渗透力与渗透变形,渗流中的水头与水力坡降,渗透试验与达西定律,渗透系数的测定及影响因素,层状地基的等效渗透系数,渗透力： 概念与计算,渗透变形： 类型，条件，防治,第三章 土的渗透性及渗流,作业：3-1、3-2、3-6、3-8、3-9、3-10,