土的渗透性与渗透问题.ppt

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1、建筑之家,第二章 土的渗透性与渗透问题,2.1达西定律2.2渗透系数及其确定方法2.3渗透力与渗透变形2.4渗流工程问题与处理措施,主要内容,建筑之家,土的渗透问题概述,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,隧道开挖时,地下水向隧道内流动,在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象称为渗透,建筑之家,2.1 达西定律,一、达西定律,1856年法国学者Darcy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,渗透试验播放,水力梯度,即沿渗流方向单位距离的水头损失,建筑之家,二、达西定律适用范围与起始水力坡降,达西定律,讨论:,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土,需要克服结合

2、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,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,建筑之家,2.2 渗透系数及其确定方法,一、渗透试验(室内),时间t内流出的水量,1.常水头试验整个试验过程中水头保持不变 适用于透水性大(k10-3cm/s)的土,例如砂土。,建筑之家,2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化,截面面积a,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,dV=adh,在时段dt内流经试样的水量,dV=kiAdt=kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,分离变量 积分,适用

3、于透水性差,渗透系数小的粘性土,建筑之家,二、影响渗透系数的因数,1.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。,2.土的密实度,3.水的动力粘滞系数,同种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。,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,建筑之家,三、成层土的渗透系数,1.水平渗透系数,

4、通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和,达西定律,整个土层与层面平行的等效渗透系数,平均渗透系数,建筑之家,2.垂直渗透系数,根据水流连续定理,通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,垂直渗透系数,各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in,总的水力坡降为i,总水头损失等于各层水头损失之和,整个土层与层面垂直的等效渗透系数,建筑之家,四、例题分析,【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2,厚度为4cm,渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm,试验开始时的水位差为160cm,经时段15分钟后,观察得水位差为52cm,试验时的水温为30,试求试样的渗透系数,【解答】,已知试样截

5、面积A=30cm,渗径长度L=4cm,细玻璃管的内截面积,h1=160cm,h2=52cm,t=900s,试样在30时的渗透系数,建筑之家,2.3 渗透力与渗透变形,一、渗透力和临界水力坡降,1.渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,沿水流方向放置两个测压管,测压管水面高差h,水流流经这段土体,受到土颗粒的阻力,阻力引起的水头损失为h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律,试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等,方向相反,建筑之家,渗流作用于单位土体的力,说明:渗透力j是渗流对单位土体的作用力,是一种体积力,其大小与水力坡降成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为kN/m3,

6、渗透力方向与重力一致,促使土体压密、强度提高,有利于土体稳定,渗流方向近乎水平,使土粒产生向下游移动的趋势,对稳定不利,渗流力与重力方向相反,当渗透力大于土体的有效重度,土粒将被水流冲出,建筑之家,2.临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降,当土颗粒的重力与渗透力相等时,土颗粒不受任何力作用,好像处于悬浮状态,这时的水力坡降即为临界水力坡降,或,在工程计算中,将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23),作为允许水力坡降i。设计时,为保证建筑物的安全,将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内,建筑之家,二、渗透变形,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动,导致土体变形渗透变

7、形问题(流土,管涌),1.流土在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏,建筑之家,2.管涌在渗流作用下,无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙,发生移动并被带出的现象,土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大,形成能穿越地基的细管状渗流通道,掏空地基或坝体,使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处,发展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏,建筑之家,3.流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、

8、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,建筑之家,三、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

9、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,建筑之家,2.4 渗流工程问题与处理措施,一、渗流工程问题,1.地下水的浮托作用,地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力,并对建筑物基础产生浮托力,2.地下水的潜蚀作用,在施工降水等活动过程中产生水头差,在渗透力作用下,土颗粒受到冲刷,将细颗粒冲走,破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中,3.流砂,流砂在工程施工中能造成大量的土体流动,使地表塌陷或建筑物的地基破坏,给施工带来很大的困难,影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生,在地下水位以

10、下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现,建筑之家,4.基坑突涌,当基坑下部有承压水层时,开挖基坑减小了底板隔水层的厚度,当隔水层较薄经受不住承压水头压力,承压水头压力就会冲毁基坑底板,这种现象称为基坑突涌,建筑之家,二、防渗处理措施,1.水工建筑物渗流处理措施,水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则,上游截渗、延长渗径,下游通畅渗透水流,减小渗透压力,防止渗透变形,垂直截渗,主要目的:延长渗径,降低上、下游的水力坡度,若垂直截渗能完全截断透水层,防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗,建筑之家,设置水平铺盖,上游设置水平铺盖,与坝体防渗体连接,延长了水流

11、渗透路径,设置反滤层,设置反滤层,既可通畅水流,又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成,也可由土工布代替,上图为某河堤基础加筋土工布反滤层,建筑之家,排水减压,为减小下游渗透压力,在水工建筑物下游、基坑开挖时,设置减压井或深挖排水槽,建筑之家,2.基坑开挖防渗措施,工程降水,采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位,在基坑内(外)设置排水沟、集水井,用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深,采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点,从井中抽水降低水位,建筑之家,设置板桩,沿坑壁打入板桩,它一方面可以加固坑壁,同时增加了地下水的渗流路径,减小水力坡降,水下挖掘,在基坑或沉井中用机械在水下挖掘,避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性,也可向基坑中注水,并同时进行挖掘,

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