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1、土 力 学,孙秀丽 博士/副教授江南大学环境与土木工程学院,2022年11月13日星期日7时0分56秒,2,第三章 土的渗透性及渗流,3.1 工程背景3.2 土的渗流理论3.3 土中二维渗流及流网3.4 渗流力与渗透破坏,2022年11月13日星期日7时0分56秒,3,3.1 工程背景,渗流：在水头差的作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。 土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一。 渗流与土的强度、变形、稳定性相互关联、相互影响，直接影响工程安全。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,4,2022年11月13日星期日7时0分56秒,5,闸基,上图是水利工程中的闸基，在上游水位压力
2、差的作用下，水将从上游河底进入闸基地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,6,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而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩深入坑内。,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,2022年11月13日星期日7时0分56秒,7,上海轨道交通4号线发生管涌坍塌,轨道交通4号线穿越黄浦江底约2公里长的区间隧道内，距离浦西江边防汛墙53m，并且地处30m以下的地下深层，事故发生点位于地下土层第7层。旁通道工程采用冻结加固暗挖法施工，事故发生时离旁通道贯通尚
3、余0.8m。 2003年7月1日，因大量水、流砂涌人旁通道。引起隧道受损及周边地区地面沉降，造成三幢建筑物严重倾斜，防汛墙由裂缝、沉降演变至塌陷，隧道区间由渗水、进水发展为结构损坏，附近地面也出现不同程度的裂缝、 沉降，并发生了防汛墙围堰管涌等险情。 6月29日凌晨约3:00，测得水阀处水压为2.3kg/cm2，与第7层承压水水压接近，XT1温度测量孔内隧道钢管片交接处土体温度为8.7。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,8,这起工程事故直接经济损失初步估算为1.5亿元人民币左右,2022年11月13日星期日7时0分56秒,9,2022年11月13日星期日7时0分56秒,10,202
4、2年11月13日星期日7时0分56秒,11,2022年11月13日星期日7时0分56秒,12, 渗流量问题 基坑开挖时，需计算渗水量及排水量，以便配置排水设备。 渗透破坏问题 渗流对土粒施加的渗流力过大会产生流砂、管涌现象；渗流导致堤坝失稳、地面隆起等现象。 渗流控制问题 防治流砂、管涌现象措施等,2022年11月13日星期日7时0分56秒,13,3.2 土的渗流理论,水为什么会流动？土中水为什么会发生渗流？,水头差,压力水头,速度水头,位置水头,忽略不计,如何定性和定量化评价水在土中的渗透性的大小？如何来描述？,水在土中渗透有规律可以遵循吗？,2022年11月13日星期日7时0分56秒,14
5、,（2）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为渗流所充满。,一、渗流模型 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。,（1）不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向 ；,“截弯取直”,“视而不见”,简化,流量相等,压力相等,阻力相等,层流状态,2022年11月13日星期日7时0分56秒,15,二、达西（Darcy）定律,1. 达西定律 达西（1856年）在分析大量试验资料的基础上，发现土中渗透的渗流量q与渗流断面A和水头损失h成正比，与渗流路径成反比。,式中 ，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数
6、，其值等于水力梯度为1时的渗透速度，cm/s。k为反映土渗透能力强弱的定量指标，也是渗流计算时必用的一个基本参数。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,16,2.达西渗透试验,直立圆筒：横截面积为A，其侧壁装有两支相距为L 的侧压管，上端开口。滤板：填放颗粒均匀的砂土。溢水管：水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管溢出，使筒内的水位维持恒定。出水管：渗透过砂层的水从出水管流入量杯中。量杯：计算渗流量Q。 同时读取断面1-1和断面2-2处的测压管水头值h1和h2，得到两端面之间的水头损失量h=（L+h1）-h2 ，流速v=Q/(tA),砂土,2022年11月13日星期日7时0分56秒,17,
7、粘性土颗粒周围存在着结合水，结合水因受分析引力作用而呈现出粘滞性，需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常吧克服此粘滞阻力所需要的水力梯度 ，称为粘土的起始水力梯度i0 ，只有在达到起始水力梯度后才能发生渗流。,3.达西定律的适用条件,粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,砂土、一般粘土： V=ki极细的粘土： ii0, v=k(i - i0 ),i0,层流,2022年11月13日星期日7时0分56秒,18,三、渗透系数的确定,经验确定,室内渗透试验,参考经验值,试验测定,常水头试验,变水头试验,细砂中等卵石,粘性土,现场试验,经验公式,202
8、2年11月13日星期日7时0分56秒,19,试验时将高度为L，横截面为A的试样装入垂直放置的圆筒中，从土样的上端注入与现场温度完全相同的水，并用溢水口使水头保持不变。土样在不变的水头差h作用下产生渗流，当渗流达到稳定后，测得t时间内流经试样的水量为Q，而土样渗流流量q=Q/t，则k为,1.常水头试验,常水头试验适用于透水性加大(k10-3cm/s)的到中等卵石土。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,20,2.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。 试样的截面面积为A，量管的过水断面积为A。水在压力差的作用下经试样渗
9、流，玻璃量管中的水位逐渐减小，然后读取两个时间t1和t2对应的水头高度h1和h2. 可导出,变水头试验适用于透水性较小(10-7k10-3cm/s)的粘性土,2022年11月13日星期日7时0分56秒,21,变水头试验公式推导,积分,积分可得,渗透系数,2022年11月13日星期日7时0分56秒,22,3.现场测定法（粗颗粒土或成层土）野外抽水试验,优点：现场测定法的实验条件比试验室测定法更符合实际土层的渗透情况，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。,缺点：试验规模较大，所需人力物力也较多。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,23,图（
10、a）无压完整井抽水试验,图（b）无压非完整井抽水试验,抽水试验分类,2022年11月13日星期日7时0分56秒,24,现场抽水试验公式（裘布依公式）的推导,无压完整井抽水试验,A=,2rz ,i=,积分,q=kAi,将任意距离为r1和r2的观测孔的水位h1和h2，代入上式，得,k =,可得渗透系数k为,2022年11月13日星期日7时0分56秒,25,4.经验确定,参考经验值,在无实测资料时，可以参照有关规范或已建成工程的资料来选定k值，有关常见土的渗透系数参考值如下表。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,26,参考经验值,1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:1
11、955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:,渗透系数还可以用一些经验公式来估算，这些经验公式虽有其实用的一面，但都有其适用条件和局限性，可靠性较差，一般只在作粗略估计时采用。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,27,3.3 土中二维渗流及流网,前述渗流属简单边界条件下的一维渗流，可用达西定律进行渗流计算。,但实际工程中，边界条件复杂，如围堰工程、坝基、闸基 等工程中的渗流，这类介质内的流动特性逐点不同，不能 再视为一维渗流。,这些构筑物的共同特点是轴 线长度远大于其横向尺寸， 因而可以认为渗流仅发生在 横断面内，可以简化为二维 渗流或平面渗流。,1. 概述,2022年11月13
12、日星期日7时0分56秒,28,渗流场中各点的渗流速度v与水力梯度i等均是位置坐标的函数。首先要建立他们的渗流微分方程（取单元体进行分析），渗流问题可归结为拉普拉斯（Laplacs）方程，然后结合渗流边界条件与初始条件进行求解。求解方法(1)解析解法；（2）数值解法；（3）图解法（流网）；（4）模型试验。,2.二维渗流方程,2022年11月13日星期日7时0分56秒,29,流网的特征 对于各向同性渗流介质，流网具有下列特征： (1) 流线与等势线互相正交； (2) 流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为 1 时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网； (3) 相邻等势线之间的水
13、头损失相等；h= (4) 各个流槽的渗流量相等。 q=Nf q,3.流网的特征与绘制,由这些特征可进一步知道，流网中等势线越密的部位，水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。,板桩墙围堰的流网图,a,a,b,b,2022年11月13日星期日7时0分56秒,30,流网的绘制,(1) 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图； (2) 判定边界条件：透水面（aa ，bb ）等势线 ； abc 和不透水面为流线； (3) 先试绘若干条流线 ( 应相互平行，不交叉且是缓和曲线 ) ；流线应与进水面、出水面 ( 等势线)正交，并与不透水面 ( 流线 ) 接近平行，不交叉； (4) 加绘等势线。需与流线正交，且每
14、个 渗流区的形状接近“方块”。,c,2022年11月13日星期日7时0分56秒,31,4.利用流网计算渗流量,应用：水库、大坝水流失、基坑用水量,q=kAi,Nd =11-1=10,Nf=5-1=4,A=b1,总流量为,b/l=1,2022年11月13日星期日7时0分56秒,32,3.4 渗透破坏与控制,q=kAi,二维流网,常水头试验,变水头试验,野外抽水试验,流砂、管涌,土坡稳定,1. 概述,达西定律是贯穿第三章的主线,2022年11月13日星期日7时0分56秒,33,2.渗流力,渗流力是渗透水流作用于土骨架产生的拖曳力称为渗透力 或动水力。渗流力的计算 在土中沿水流的渗透方向切取一个土柱
15、体，将土柱体内的水作为脱离体进行受力分析。根据作用在土柱体内水上的各力平衡条件，可得渗流力：,2022年11月13日星期日7时0分56秒,34,(4),T =-JAl,-rwAlsin- rwh1A+ rw ( h2+z)A-JAl =0,sin =z/l,Jl= rw(h2-h1),J =,=rwi,J = rwi,J,Gw+f ,渗流力为体积力，与水力梯度成正比,2022年11月13日星期日7时0分56秒,35,开挖深度内有4m-6m厚度流砂层，且地下水丰富,2022年11月13日星期日7时0分56秒,36,3.渗透破坏与控制,J = rwi,J,（1）流砂 当向上的渗流力与土的浮重度相等
16、时，粒间有效应力为零，颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流砂现象（流土现象）。,i icr,J= r,rwicr= r,流砂,icr 大小与土的颗粒级配、细粒含量、密实度、渗透性等有关。,2022年11月13日星期日7时0分56秒,37,流砂现象主要发生在颗粒级配均匀的饱和细砂、粉砂、粉土或受到扰动的低塑性的粉质粘土层中，而在粗粒土及粘土中不易产生。控制： 工程设计时要求渗流逸出处 i i = icr /K 安全系数 K=22.5 （2 ）减小或消除水头差h井点降水法 （3）增长渗流路径（板桩墙） （4） 覆盖压重 （5）土层加固或改性,2022年11月13日星期日7时0分56秒,38,（2）管涌 在渗流作用下，土中细粒在粗粒形成的孔隙中被水流挟带走，随着孔隙不断扩大，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。,管涌多发生在级配不连续，不均匀系数Cu10的砂性土中,控制：改变几何条件： 在下游渗流逸出部位铺设反滤层，防止细粒流失 改变水力条件： 在上游做垂直防渗帷幕或打板桩，降低水力梯度 i,2022年11月13日星期日7时0分56秒,39,新疆八一水库管涌,赤壁市连江支堤管涌,潜蚀的处理： 堵截 阻止 反滤层 改造土性,2022年11月13日星期日7时0分56秒,41,作业：,第三版P84 （第二版P82）： 3-6、3-9,
