土的渗透性和渗流.ppt

1,第 2 章 土的渗透性和渗流问题,2.1 概述2.2 土的渗透性2.3 渗透力与渗透变形,2,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,2 土的渗透性和渗流问题,3,2.1 概述2.2 土的渗透性2.3 渗透力和渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,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,2.1概述,能量差,概述,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,2 土的渗透性和渗流问题,6,渗水压力,扬压力,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,概述,2土的渗透性和渗流问题,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,概述,2土的渗透性和渗流问题,8,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,概述,2土的渗透性和渗流问题,9,渗流滑坡,渗流滑坡,概述,2土的渗透性和渗流问题,10,渗流量,渗透变形,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,渗透力与渗透变形,土坡稳定分析,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工多雨地区边坡,概述,2土的渗透性和渗流问题,11,2.2 土的渗透性与渗透规律,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,四层状地基的等效渗透系数,2土的渗透性和渗流问题,12,A,B,L,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,一渗流中的水头与水力坡降,13,一渗流中的水头与水力坡降,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,总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：,总水头：,水力坡降：,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,水头差：,测管水头,二.渗透试验与达西定律,试验前提：层流,h，Q A，Q L，Q,断面平均流速,水力坡降,1.渗透试验,试验结果,试验装置：如图,试验条件:h1=const，A=const L=const,量测变量:h2，V，T,h=h1-h2,Q=V/T,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,2.达西定律,渗透定律,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,二.渗透试验与达西定律,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：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,16,2.达西定律,适用条件：,层流（线性流）,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,二.渗透试验与达西定律,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时紊流200 Re 5时为过渡区,17,2.达西定律,（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=0.30.5cm/s,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,两种特例：,（2）粘性土：致密的粘土 i i0,v=k(i-i0),2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,二.渗透试验与达西定律,三.渗透系数的测定及影响因素,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,1.测定方法,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,19,室内试验方法1常水头试验法,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,结果整理,试验装置：如图,试验条件:h=const，A=const，L=const,量测变量:V，t,i=h/L,V=Qt=vAt,v=ki,适用土类：透水性较大的砂性土,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,室内试验方法2变水头试验法,透水性较小的粘性土?,20,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件:h变化，A=const，L=const,量测变量:h，t,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,土样,A,L,Q,水头测管,开关,a,21,三.渗透系数的测定及影响因素,1.测定方法,室内试验方法2变水头试验法,结果整理:,理论依据:,t时刻：h,dt,dh,dVe=-adh,dVo=kiAdt=k(h/L)Adt,dVe=dVo,流入量：,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,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,野外测定方法抽水试验和注水试验法,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,1.测定方法,三.渗透系数的测定及影响因素,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：,理论依据：,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,积分,2.影响因素,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,三.渗透系数的测定及影响因素,饱和度（含气量）水的动力粘滞系数,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,24,2.影响因素,三.渗透系数的测定及影响因素,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,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。,（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。,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。,25,饱和度 sr(%),渗透系数k(10-3cm/s),8765432,80 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.影响因素,三.渗透系数的测定及影响因素,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,（2）流体特性的影响,四.层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的km考虑渗流方向,天然土层多呈层状,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,27,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,四.层状地基的等效渗透系数,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,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,28,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,四.层状地基的等效渗透系数,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,算例,按层厚加权平均，由较大值控制,倒数按层厚加权平均，由较小值控制,四.层状地基的等效渗透系数,2.2土的渗透性与渗透规律,2土的渗透性和渗流问题,30,2.2土的渗透性与渗透规律,第2章 土的渗透性和渗流问题,2.3 渗透力与渗透变形,31,2.3 渗透力与渗透变形,一.渗透力,1、试验观察,渗透变形,渗透力,2土的渗透性和渗流问题,二.渗透变形（渗透破坏）,2、物理本质,3、计算方法,土水整体分析,土水隔离分析,32,一.渗透力,1、试验观察,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,2土的渗透性和渗流问题,2.3 渗透力与渗透变形,33,一.渗透力,土粒,渗 流,j,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,渗透力与浮力有何区别？,2、物理本质,34,P2,W,P1,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,3、计算方法,35,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,土水整体分析,3、计算方法,36,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,土水整体分析,3、计算方法,37,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,临界水力坡降,i=h/L=/w,icr=/w,L wh=0,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,土水整体分析,3、计算方法,38,P1+Ww+J=P2,水体的平衡条件,j=wi,whw+wL+j L=wh1,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1=whw,P2=wh1,Ww=Vvw+Vsw=Lw,土水隔离分析,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,3、计算方法,39,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,一.渗透力,40,基本类型,二.渗透变形（渗透破坏）,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,41,1.基本类型,二.渗透变形（渗透破坏）,流土,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,渗流,原因：,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,42,1.基本类型,管涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形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，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。,管涌,管涌破坏,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,二.渗透变形（渗透破坏）,43,1.基本类型,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,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,二.渗透变形,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,44,2.形成条件,Fs:安全系数1.52.0,二.渗透变形,i:允许坡降,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,流土,经验判断：,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,无压重时：,45,较均匀土（Cu10）,二.渗透变形,2.形成条件,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,5,3,d5,d3,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,46,水力条件：i icr,5 10 15 20 25 30 35 40,2.01.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,二.渗透变形,2.形成条件,Cu 20时,icr,前苏联：,中国：,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,47,3.防治措施,增大i：下游增加透水盖重,二.渗透变形,防治流土,减小i：上游延长渗径；下游减小水压,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,2.3 渗透力与渗透变形,2土的渗透性和渗流问题,48,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,2土的渗透性和渗流问题,49,第2章 结束,