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1、内容回顾,颗粒级配的工程应用 土的压实性 土的液塑性,Soil Mechanics 土的渗透性及渗流,主要内容(Contents),概述,土的渗透性,土中二维渗流及流网,1,2,3,渗透破坏与控制,4,3.1 概述,几个基本概念,渗透：液体从物质微也中透过的现象； 渗透性：土体具有被液体透过的性质，也称透水性； 渗流：液体在土孔隙或其他透水性介质中流动问题称为渗流。,渗透性研究的三个方面,渗流量问题 渗透破坏问题 渗透控制问题,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,3.1 概述,土石坝坝基坝身渗流,涉及渗流量与渗透破坏问题。,不透水层,3.1 概述,板桩围护下的基坑渗流,透水层,不透水层,基
2、坑,板桩墙,涉及渗流量、渗流压力与渗透破坏问题。,3.1 概述,水井渗流问题,透水层,不透水层,天然水面,漏斗状潜水面,Q,抽水量,涉及渗流量、水力参数问题。,主要内容(Contents),概述,土的渗透性,土中二维渗流及流网,1,2,3,渗透破坏与控制,4,3.2 土的渗透性,水头变化,3.2.1 达西定律,总水头线,L,zA,hA,测管,测管,zB,hB,基准高程面,3.2 土的渗透性,水头与水力梯度,水头：单位重量的水所具有的能量,总水头：总水头势水头压力水头动水头，亦即：,考虑到土中水的流速很小，可以忽略，于是，总水头可简化为：,水力梯度（或坡降）：单位流径长度上的水头差：,称之为测压
3、管水头。,达西定律,3.2 土的渗透性,法国人达西（Darcy）根据试验，得出：在层流条件下，土中水渗流速度与水头损失之间的关系，即达西定律：,式中，q是单位渗水量，以m3/s计；v是断面平均流速，以m/s计；i是水力梯度，无量纲；k称为渗透系数，以m/s计；A是断面面积，以m2计；,3.2 土的渗透性,达西定律的适用范围,较大水力梯度时，达西定律不能适用,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,砂土的渗透速度与较小水力梯度之间呈线性关系,3.2 土的渗透性,3.2.2 室内渗透试验,常水头试验,时间t内流出的水量,常水头试
4、验：整个试验过程中水头保持不变，主要适用于透水性大（k10-3 cm/s）的土，例如砂土。,于是可知：,3.2 土的渗透性,变水头试验,任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量.,dQ=adh,在时段dt内流经试样的水量,dQ=kiAdt=kAh/Ldt,由于管内减少水量就是流经试样水量,adh=kAh/Ldt,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,于是，可解得：,3.2.3 渗透系数,3.2 土的渗透性,影响渗透系数的因素,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。,土的密实度,同种
5、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。,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。,3.2 土的渗透性,影响渗透系数的因素,水的动力粘滞系数,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。,式中：kT、k20分别为T和20时水的动力粘滞系数，可查表。,土的结构与构造,细粒土的结构一旦扰动，原有的过水通道的形状、大小及其分布就会发生改变，因而渗透系数也会受到影响。,3.2 土的渗透性,经验确定方法,对于松砂土,式中：d10是有效粒径（cm），k以cm/s
6、计。,对于较密实砂土,对于粘性土,式中：C3和n是由试验确定的常数。,成层土的等效渗透系数,3.2 土的渗透性,渗流与层面平行,式中：khi是第i层土与层面平行的平均渗透系数；Hi是第i层土的厚度；H是土层总厚度。,渗流与层面垂直,式中：kvi是第i层土与层面垂直的平均渗透系数。,主要内容(Contents),概述,土的渗透性,土中二维渗流及流网,1,2,3,渗透破坏与控制,4,3.3 土中二维渗流及流网,渗流方程拉氏方程,3.3.1 二维渗流方程,假定水体不可压缩，根据水流连续原理：dqe=dqo，于是：,再考虑达西定律，则可得：,3.3 土中二维渗流及流网,流网特征,拉氏方程的图解法绘制流
7、网。,由流线与势线所组成的正交网格； 各个网格的长宽比为常数，长宽比为1时的网格最常用； 相邻等势线之间的水头损失相等； 各个流槽的渗流量相同。,A,B,C,D,E,F,G,H,势线条数：m11；流线条数：n5,3.3 土中二维渗流及流网,流网计算,渗流量计算,1.相邻等势线间的水头损失：,2.单流槽的渗流量：,3.总渗流量：,孔隙水压力计算,3.3 土中二维渗流及流网,例1:已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求（1）图中A、B点的孔隙水压力；（2）求每1米板桩宽度的渗流量。,解：先确定势线数：,m11（包括两条液面线）,以及流线数：n
8、6（包括板桩面、不透水层界面）,总水头差为,H=11-2=9m,3.3 土中二维渗流及流网,例1:已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求（1）图中A、B点的孔隙水压力；（2）求每1米板桩宽度的渗流量。,解：由此可知每个网格的水头差为：,h=9/(11-1)=0.9m,（1）计算孔隙水压力,C,D,若假定CD面为基准面,则CD面上的任意点测管水头为：,hCD11m,3.3 土中二维渗流及流网,例1:已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求（1）图中A、B点的孔隙水压力；（2）求每1米板桩
9、宽度的渗流量。,C,D,解：根据流网图，可知A点的测管水头为：,hA11-10.910.1m,于是可知：A点的压力水头：,pA10.1-(-5)15.1m,故而A点的压力水头：,uA15.110151kPa,例1:已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求（1）图中A、B点的孔隙水压力；（2）求每1米板桩宽度的渗流量。,C,D,解：类似地可解得B点孔隙水压力为：,uB(11-90.9-(-5) 1079kPa,（2）根据渗流量公式可知：,3.3 土中二维渗流及流网,主要内容(Contents),概述,土的渗透性,土中二维渗流及流网,1,2,3
10、,渗透破坏与控制,4,3.4 渗透破坏与控制,3.4.1 渗流力,p1,p2,Gw,T,对水柱隔离体而言：,（1）水柱重力：,Gw=LAww,（2）水柱上下边界水压力：,p1=Aw hww,p2=Aw h1w,（3）单位体积土柱内的土粒对水流阻力T，其大小与渗流力J（单位体积土颗粒所受到的渗流作用力）相等，方向相反。总阻力为：,渗流力计算公式,T=T Aw L,3.4 渗透破坏与控制,p1,p2,Gw,T,渗流力计算公式,建立平衡方程：,Aw hww+Gw+T Aw h1w,于是：,Twh/L w i,由JT知：,Jwh/L w i,由此可见：渗流力是一种体积力，量纲与w 相同。其大小与水力梯
11、度成正比，方向与流向相同。,3.4 渗透破坏与控制,3.4.2 渗透破坏,流砂或流土,定义：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。,原因：向上的渗流力克服了向下的重力。使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr(=/w),icr(ds-1)(1-n),3.4 渗透破坏与控制,管涌,定义：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,原因,1.内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙.,2.外因渗透力足够大.,一般不均匀系数Cu10的土才会发生管涌。,流土与管涌的比较,流 土,土体局部范围的
12、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,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 渗透破坏与控制,基 础 工 程 土木工程学院,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Cu10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Cu10
13、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,基 础 工 程 土木工程学院,例题分析,【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏,【解答】,临界水力坡降,由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,允许水力坡降,基 础 工 程 土木工程学院,防治流土,石坝,浸润线,透水层,减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）； 增长渗流路径； 在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以 平衡渗流力； 土层加固处理，如冻结法、注浆法等。,三、防治措施,基 础 工 程 土木工程学院,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,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,本章结束,
