土力学-第2章.

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1、第二章 土的渗透性与土中渗流 2.1 概述 2.2 渗流理论 2.3 流网及其工程应用 2.4 土中渗流的作用力及渗透变形 产生的问题 一、渗漏，造成水量损失 二、引起土体内部应力状态的变化，从而改 变地基、边坡或土工建筑物的稳定条件。 2.1 概述 三、影响土体变形快慢。 四、基坑排水。 五、边坡稳定计算。 本章着重 讨论的问 题 三相系多孔介质 孔隙流体 孔隙流体流动 能量差 浸润线 透水层 不透水层 渗流量 渗透变形 土石坝坝基坝身渗流 2.1 概述 透水层 不透水层 基坑 板桩围护下的基坑渗流 渗流量 渗透变形 板桩墙 2.1 概述 渗流量 渗流时地下水位 渠道渗流 2.1 概述 渗流

2、滑坡 2.1 概述 Teton坝 概况： 土坝，高90m，长1000m，建于 1972-75年，1976年6月失事 损失： 直接8000万美元，起诉 5500起，2.5亿美元， 死14人，受灾2.5万人 ，60万亩土地，32公里 铁路 原因： 渗透破坏水力劈裂 2.1 概述 Teton坝 1976年6月5 日上午10:30 左右，下游坝 面有水渗出并 带出泥土。 2.1 概述 Teton坝 11：00左右 洞口不断扩 大并向坝顶 靠近，泥水 流量增加 2.1 概述 Teton坝 11:30 洞口继续向上扩大 ，泥水冲蚀了坝基 ，主洞的上方又出 现一渗水洞。流出 的泥水开始冲击坝 趾处的设施。

3、2.1 概述 11：50左右 洞口扩大加速， 泥水对坝基的冲 蚀更加剧烈。 Teton坝 2.1 概述 11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下 Teton坝 2.1 概述 12：00过后 坍塌口加宽 Teton坝 2.1 概述 洪水扫过下游 谷底，附近所 有设施被彻底 摧毁 Teton坝 2.1 概述 失事现场目 前的状况 Teton坝 2.1 概述 2.2 渗流理论 2.2.1 定义 定义：土孔隙中的自由水在重力作用下发 生运动的现象称为水的渗透，而土被水流 透过的性质，称为土的渗透性。 模型的简化模型的简化: : (1) (1) 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析主要流向；不考虑渗流路径的迂回

4、曲折，只分析主要流向； (2) (2) 不考虑土中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间不考虑土中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间 之总和均为渗流所充满。之总和均为渗流所充满。 符合几点要求：符合几点要求： (1) (1) 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； (2) (2) 在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； (3) (3) 在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到 的阻力相等。的阻力相等。 2.2.2

5、 渗流模型 由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时 的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流 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： 2.2.2 渗流模型 v 渗透速度（cm/s或m/s）； q 渗流量（cm3/s后m3/s）； i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次； h 试样两端的水位差，即水头损失； L 渗径长度； k 渗透系数（cm/s或m/s,m/d）； A 试样截面积（cm2或者m2）。 2.2.2 渗流模型 1856年法国学者 达西对砂土的渗 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 渗透系数，

6、水力梯 度为1时的渗透速度 ，单位：cm/s 注意： 1.渗流速度并非真正流体速度 2.水力梯度也并非真正的水力 梯度 2.2.3 达西渗流定律 一、达西定律 达西定律 砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 v=ki i v O 砂土 2.2.3 达西渗流定律 一、粗粒土中的渗流一、粗粒土中的渗流 水力梯度较大时，水流成为水力梯度较大时，水流成为 紊流，达西定律不适用，表紊流，达西定律不适用，表 现为次线性。（用雷诺数或现为次线性。（用雷诺数或 者临界流速判断）者临界流速判断） ib 起始水 力坡降 虚直线简化 0 i v 密实粘土 v=ki i v O 砾土 v=ci1/2 vcr 二、密实粘

7、土中的渗流二、密实粘土中的渗流 结合水膜的影响，密实粘结合水膜的影响，密实粘 土中的渗流也不符合达西土中的渗流也不符合达西 定律，表现为超线性。定律，表现为超线性。 二、达西定律适用范围 2.2.4 渗流系数的确定 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力 学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试 验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确 可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 室内试验测定方法 野外试验测定方法 时间 t 内流出的水量 常水头试验整个试验过程中水头保 持不变 给水 排水 试验中测取的量为：h

8、, t, Q 一、常水头试验 适用于透水性大（k10- 3cm/s）的土，例如砂土。 二、变水头试验 截面面积a 变水头法在整个试验过程中， 水头是随着时间而变化的，试 验装置如图，试样的一端与细 玻璃管相接，在试验过程中测 出某一时段内细玻璃管中水位 的变化，就可根据达西定律求 出水的渗透系数； 粘性土，渗透系数小，流经水 量少。 适用于粘性土，渗透系 数小，流经水量少。 截面面积a 设玻璃管的内截面积为a， 试验开始以后任一时刻t的 水位差为h，经时段dt，细 玻璃管中水位下落dh，则在 时段dt内流经试样的水量。 二、变水头试验 试验中测取的量为 ：t1, t2, h1, h2 二、变水

9、头试验 地下水位测压管水面 抽水量q dh dr r h h1 h2 r1 r2 观察井 不透水层 透水层 井 三、现场抽水试验 四、经验公式 1.土粒大小与级配 土粒越粗越均匀，渗透系数越大。粘粒含量越多，渗透系数 越小。 2.土的结构 3.渗透水的性质 水平渗透系数一般大于竖向渗透系数。 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 五、影响渗透系数的因素 土的渗透系数参考值 土类渗透系数k

10、(cm/s)渗透性 卵石、碎石、砾石10-1高渗透性 砂10-310-1中渗透性 粉土10-410-3低渗透性 粉质粘土10-610-5极低渗透性 粘土10-7几乎不透水 2.3 流网及其工程应用 2.3.1 流网的性质 一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 h 根据单位时间内流入单元 体的总水量必等于流出的 总水量得： 就渗流问题来说，一组曲线 称为等势线，在任一条等势线 上各点的总水头是相等的；另 一组曲线称为流线，它们代表 渗流的方向。等势线和流线交 织在一起形成的网格叫流网。 二、方程的解 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； （2）每个网格的长宽比为常

11、数； （3）相邻等势线间的水头损失相等； （4）各流槽的渗流量相等。 二、流网的性质 三、典型流网分析 远离坝底，流线 稀疏，水力梯度 小，渗透速度小 接近坝底，流线 密集，水力梯度 大，渗透速度大 2.4 土中渗流的作用力及渗透变形 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 体内土粒上的力称为 渗流力、动水压力。 h0 0 0 hw L 贮水器 土样 滤网 a b h2 h2 h1 h1 2.4.1 渗流力 2.4.1 渗流力 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

12、 相反，对稳定特别不利 。 渗流力方向与渗透方向相同，大小取决 于水力梯度。即 2.4.1 渗流力 当渗流力和土的有效重度相同且方向相反时，土颗粒间的 压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现 象称为流土，此时的水头梯度成为临界水力梯度icr。 2.4.1 渗流力 流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流 逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。 土处于稳定状态 土处于临界状态 土处于流土状态 2.4.1 渗流力 2.4.2 渗透变形 渗流土体内部应力状态变化 土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题 管涌、流土等水库塌岸岸坡、 土坝在水位 降落时引起的滑动 流土：在渗流作用下局部土体

13、表面隆起，或土粒群同时起动 而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。 管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通 道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。 2.4.2 渗透变形 一、渗透变形的形式 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 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 一、渗透变形的形式 二、流土 二、流土 三、管涌 三、管涌 三、管涌 三、管涌 反滤倒渗 三、管涌 反滤围井 三、管涌 蓄水反压