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1、土力学和基础工程土力学和基础工程 Soil Mechanics and Foundation EngineeringSoil Mechanics and Foundation Engineering 第二章 土中水的运动规律和理论 2 1 概述 2 2 渗透理论 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 学习目标 掌握土的渗透定律与渗透力计算方法 具备对地基渗透变形进行正确分析的能力 基本要求 1 掌握土的渗透定律 2 了解二维渗流及流网绘制 3 熟悉土中渗流量计算 4 掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析 第一节 概述 地基土以及某些土工建筑物本身 如土坝 是由颗粒 状或
2、碎块固体材料组成的多孔隙介质 其内部包含 着许多互相连通的孔隙或裂隙 存在于地基中的地下水 在一定的压力差作用下 将透过土中的这些孔隙发生流动 这种现象称为渗流或渗透 土中的自由水可分为毛细水和重力水 毛细水位于地下水位以上的土孔隙中 它是由于水 气 界面表面张力的作用 地下水沿着不规则的孔隙和裂 隙上升而形成的 毛细水既受重力作用还受表面张力引起的毛细力作用 两者达到平衡后在地下水位以上形成稳定的毛细饱 水区 毛细饱水区的形成将可能使地基土浸湿或产生 冻胀而影响其承载能力和稳定性 重力水位于地下水位以下的土孔隙中 它受重力作用 的控制 能对土体产生浮力 在透水土层中还能在水 力梯度作用下发生
3、流动而形成渗流 本章研究的就是土中重力水的运动规津 不同的土具有不同的透水能力 主要由土的颗粒组成和孔隙比等决定 土的透水性定量指标是渗透系数 渗透系数值愈大 表示上的透水能力愈强 土层中所有各点在同一方向的透水能力相同时 称为均质土层 否则称为非均质土层 土层中任一点处各个方向的透水能力相同时 称为各向同性土层 否则称为各向异性土层 在许多实际工程中都会遇到渗流问题 如水利工程中的土坝和闸基 建筑物基础施工中开挖 的基坑等 闸基渗流 基坑渗流 图2 1 a 是水利工程中常见的闸基 在上游水位压力 差的作用下 水将从上游河底进入闸基的地基 沿地基土 中的孔隙渗向下游 再从下游河床逸出 图2 1
4、 b 为软土地基深基坑施工时常用的防渗 护壁 围护结构 在开挖基坑的过程中 通常是基坑外土层中的地 下水位高于基坑内水位而形成水头差 地下水将通过坑外土 层绕过板桩渗入坑内 在这些渗流问题中 通常都要求计算其渗流量并评判其渗透稳定性 当渗流的流速较大时 水流拖曳土体的渗透力将增大 渗透力的增大将导致土体发生渗透变形 并可能危 及建筑物或周围设施的安全 因此 在工程设计与施工中 应正确分析可能出现 的渗流情况 必要时采取合理的防渗技术措施 土坝 高90m 长1000m 1975年建成 次年6月失事 渗透破坏 冲蚀 水力劈裂 美国Teton坝失事现场现状 原因 沟后面板砂砾石坝 位于青海省 高71
5、米 长265米 建于1989年 1993年8月7日突然 发生溃坝 是现代碾压堆石坝 垮坝的先例 溃坝原因 面板止水失效 下游坝体排水不畅 造成坝坡失稳 广州京广广场基坑塌方 珠海祖国广场基坑失事 第二节 渗透理论 一 渗透模型 实际土体中的渗流仅是 流经土粒间的孔隙 由于 土体孔隙的形状 大小及 分布极为复杂 导致渗流 水质点的运动轨迹很不规 则 如右图所示 图2 2 a 水在土孔隙中的运动 考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况 可以对渗流作出如下二方面的简化 一是不考虑渗流路径的迂回曲折 只分析它的主要流向 二是不考虑土体中颗粒的影响 认为孔隙和土粒所占的空 间之总和均为渗流所充
6、满 作了这种简化后的渗流其实只 是一种假想的土体渗流 称之 为渗流模型 如图2 2 b 所示 图2 2 b 理想化的渗流模型 为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致 它还应该符合以下要求 1 在同一过水断面 渗流模型的流量等于真实渗流 的流量 2 在任意截面上 渗流模型的压力与真实渗流的压 力相等 3 在相同体积内 渗流模型所受到的阻力与真实渗流 所受到的阻力相等 建立渗流模型后 即可采用液体运动的有关概念和理论对土 体渗流问题进行分析 真实渗流与渗流模型中平均流速的关系 渗流模型 真实渗流 n l 0 即v10 3cm s 的土 应用粒组范围 大致为细砂到中等卵石 常水头渗透试验装置
7、2 变水头试验 当土样的渗透性较差时 由于流量 太小 加上水的蒸发 使量测非常 困难 此时宜采用变水头试验测定 k值 土试样的截面面积为A 量管的过 水断面积为A 水在压力差作用下 经试样渗流 玻璃量管中的水位慢 慢下降 即让水柱高度h随时间t逐 渐减小 然后读取两个时间t1和t2 对应的水头高度h1和h2 可推导出渗流系数为 变水头试验适用于透水性较小 10 7cm s k 10 3 的粘性土 图2 5 变水头渗透试验装置图 变水头渗透试验装置 变水头试验公式推导 kiAdt 积分可得 渗透系数 二 现场测定法 粗颗粒土或成层的土 现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透 情况
8、 测得的渗透系数k值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数 的平均值 是比较可靠的测定方法 但试验规模较大 所需人力 物力也较多 常用的是野外注水试验和野外抽水试验等 现场测定渗透系数的方法较多 常用的有野外注水试验和野外抽 水试验等 这种方法一般是在现场钻井孔或挖试坑 在往地基中 注水或抽水时 量测地基中的水头高度和渗流量 再根据相应的 理论公式求出渗透系数k值 抽水试验开始前 先在现场钻一中心抽水井 根据井底土层情况 可分为二种类型 完整井和非完整井 野外抽水试验一般是 在现场钻井孔或挖试坑 在往地基中注 水或抽水时 量测地基中的水头高度和渗流量 再根据相应的 理论公式求出渗透系数k值 图 a
9、 无压完整井抽水试验 图 b 无压非完整井抽水试验 完整井 井底钻至不透水层 非完整井 井底末钻至不透水层 在抽水井四周设若干个观测孔 以观测周围地下水位的 变化 试验抽水后 地基中将形成降水漏斗 当地下水进入 抽水井的流量与抽水量相等且维持稳定时 测读此时的单位 时间抽水量q 同时在两个距离抽水井分别为r1和r2的观测孔 处测量出水位h1和h2 对非完整井需量测抽水井中的水深h0 并确定降水影响半径R 图2 7 抽水试验 1 无压完整井 上式求得的k值为r1 r 或 w i 流土的临界状态对应的水力梯度ic称为临界水力梯度 它 可用下式表示 ic w s 1 1 e 式中 s 地基土的土粒密
10、度 g cm3 流土 砂 在粘性土中 渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的 土体出现表面隆起变形 而在粉砂细砂及粉土等粘聚性差的土中 水力梯度达到一定 值后 渗流逸出处出现表面隆起变形的同时 还可能出现渗 流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象 致使地基破坏 工程 上将这种流土现象称为流砂 工程中将临界水力梯度ic除以安全系数K作为容许水力梯度 i 设计时渗流逸出处的水力梯度i应满足如下要求 对流土 砂 安全性进行评价时 K一般可取2 0 2 5 二 管涌 管涌是在渗流过程中 土体中的化合物不断溶解 细小颗 粒在大颗粒间的孔隙中移动 形成一条管状通道 最后土 粒在渗流逸出处冲出的一种现象 产生管
11、涌的条件比较复杂 从单个土粒来看 如果只计土 粒的重量 则当土粒周界上水压力合力的垂直分量大于土 粒的重量时 土粒即可被向上冲出 实际上管涌可能在水平方向发生 土粒之间还有摩擦力等 的作用 它们很难计算确定 因此 发生管涌的临界水力梯度ic一般通过试验确定 测定管涌临界水力梯度ic 的试验装置如图所示 抬高储水容器 水头差h 增大 渗透速度随之增大 当水头差增大到一定程度 后 可观察到试样中细小 土粒的移动现象 此时的 水力梯度即为发生管涌的 临界水力梯度 图2 14 a 管涌试验装置图 在试验中可测定出不同水力 梯度i下对应的渗透速度v 绘制出v i关系曲线 如图 所示 v i关系曲线上可以
12、发现 渗透速度随水力梯度的变化 率在发生管涌前后有明显不 同 在发生管涌前后分成两 条直线 这两条直线的交点对应的水 力梯度即为发生管涌的临界 水力梯度ic 图2 14 b 管涌试验v i关系曲线 工程中在对管涌安全性进行评价时 通常可取K 1 5 2 0 管涌的形成与土的不均匀系数Cu 土中细粒土含量等因素有 关 因此工程中也可用它们来判别土的抗管涌安全性 如右图所示 不均匀系数 Cu越大 管涌现象愈容 易发生 例题2 2 某工程开挖深度为6 0 m的基坑时采用板桩围护结 构 基坑在排水后的稳定渗流流网如图所示 地基土的饱 和重度gsat 19 8 kN m3 地下水位距离地表1 5 m 判断基 坑中的a b渗流逸出处是否发生流土 图2 16 解 由流网图可知 地基中流网的等势线数量为n 10 总水头差为h 6 0 m 1 5 m 4 5 m 则相邻两等势线的水头 损失为 a b渗流逸出处的水力梯度iab 可用流网网格abcd的平均水 力梯度近似表示 从流网图中可量得网格长度l 1 6 m 则 而流土的临界水力梯度为 可见iab ic 在a b 渗流逸出处不会发生流土现象
