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1、山东科技大学资环学院,土力学之第三章,土的渗透性,本章提要 本章特点 学习要点,第三章：土的渗透性,土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒多孔介质特性）注意对物理概念和意义的把握注意把握土是散粒多孔介质这一特点,3.1 概述3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网3.4 渗透力与渗透稳定3.5 在静水和有渗流情况下 的空隙水应力和有效应力,第三章：土的渗透性,3.1 概述,土体中的渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动,水在土体孔隙中
2、流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3.1 概述-渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述-渗流问题,渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3.1 概述-渗流问题,渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,3.1 概述-渗流问题,原地下水位,渗流时地下水位,3.1 概述-渗流问题,降雨
3、入渗引起的滑坡,渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？,事故实例,渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程地下工程边坡工程,渗透特性变形特性强度特性,土的渗透特性,3.1 概述-土渗流特性,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网3.4 渗透力与渗透稳定 3.5 在静水和有渗流情况下 的空隙水应力和有效应力,第三章：土的渗透性,3.2 土的渗流性与渗透规律,水头与水力坡降土的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,土的渗透性与渗透规律,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透
4、系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力,水往低处流,水往高处“跑”,位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处,流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能,也可使水流发生流动,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力-水头,3.2 土的渗流性与渗透规律,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0）,渗流的总水头：,渗流问题的水头,也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总
5、是从水头高处流向水头低处,A点总水头：,3.2 土的渗流性与渗透规律,水力坡降,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,达西渗透试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,又根据水力学原理:,达西定律,3.2 土的渗流性与渗透规律,达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土
6、体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用条件：层流（线性流动）,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。可用雷诺数进行判断：,h,w,d,v,R,e,=,Re1时，达西定律满足,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0？,ii0,v=k(i-i0),渗透系数的测
7、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,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法 野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件:h，A，L=const 量测变量:体积V，t,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用土类：透水性较大的砂性土,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量:h1,h2,t,3.2 土的渗流性与渗透规律,土样,A,L,Q,水头测管,开关,a,适用土类：透水性较小 的粘性土,在tt+dt时段内：,入流量：dVe=-adh,出流量：dVo=kiAdt=k(h/L)Adt,连续性条件：dVe=dVo,-adh=k(
8、h/L)Adt,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,室内试验方法小结,3.2 土的渗流性与渗透规律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,试验条件:Q=const 量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,等
9、效渗透系数,确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,3.2 土的渗流性与渗透规律,等效渗透系数:,层状地基的水平等效渗透系数,层状地基的垂直等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,等效渗透系数:,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,3.2 土的渗流性与渗透规律,小 结,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
10、因素层状地基的等效渗透系数,总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力,达西定律渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件,常水头试验 变水头试验 抽水试验,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,1、,2、,当基坑底面积为20m10m，如果忽略基坑周边的入渗，试求为保持基坑水,深1m需要的抽水量。（粉质粘土层k=1.510-6cm/s）,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网3.4 渗透力与渗透稳定 3.5 在静水和有渗流情况下 的空隙水应力和有效应力,第三章：土的渗透性和渗流问题,平面渗流的基本方程及求解 流网的绘制及应用,平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方
11、向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析,3.3 平面渗流与流网,h=h(x,z),v=v(x,z),与时间无关,稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流,平面稳定渗流,3.3 平面渗流与流网,渗流的连续性方程,单位时间流入单元的水量:,渗流的连续性方程：,单位时间内流出单元的水量:,连续性条件:,渗流的运动方程,达西定律：,渗流的连续性方程：,渗流的运动方程：,3.3 平面渗流与流网,特例：各向同性均质土体 kx=kz,Laplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程,3.3 平面渗流与流网,数学解析法或近
12、似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电模拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题,渗流分析的方法,流网及其特性,流线和等势线正交流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1流网中相邻等势线间的势函数（水头）差不变各流槽的渗流量相等,在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网,3.3 平面渗流与流网,a,b,c,d,e,f,g,h,流网的应用,3.3 平面渗流与流网,测管水头 h,确定流速,确定
13、流量,水力坡降,流道数,小 结,平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用,连续性方程 运动方程 求解方法,流网及特性 流网的应用,3.3 平面渗流与流网,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网 3.4 渗透力与渗透稳定 3.5 在静水和有渗流情况下 的空隙水应力和有效应力,第三章：土的渗透性和渗流问题,渗透力临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-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,即渗透力,渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，
14、方向与渗流方向一致,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体受力分析-静水,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L(+w)+whw,R=L-wh,土水整体受力分析-渗流,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,R=L-wh,土
15、水整体受力分析-对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,R=L,减少的部分由谁承担？,总渗透力：J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j=J/V=wh/L=wi,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R=L-wh=0,临界水力坡降,icr=h/L=/w,土水隔离受力分析,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R=L-wh,土骨架受力分析：有效重量：W=L总渗透力：J=Lj滤网
16、的反力：R,孔隙水受力分析：水压力：P1=whw P2=wh1总渗透力：J=J水重+浮力反力：Ww=Vvw+Vsw=Lw,孔隙水受力平衡,j=wi,土骨架受力平衡,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，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架,3.4 渗透力与渗透变形,3.4 渗透力与渗透变形,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌 流土 接触流土 接触冲刷,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,3.4 渗透力与渗透变形,渗透变形-流土,流土：在向上的
17、渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,渗流,3.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：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,渗流,过程演示,1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,3.4 渗透力与渗透变形,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时
18、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 渗透力与渗透变形,Fs:安全系数2.03.5,i:允许坡降,i icr:土体处于稳定状态,i=icr:土体处于临界状态,i icr:土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土
19、：,3.4 渗透力与渗透变形,土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,管涌可能性的判别,3.4 渗透力与渗透变形,较均匀土（Cu10）,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒,不均匀土（Cu10）,不连续,连续,d0=0.63nd20,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,P(%),lgd,骨架,充填料,发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔
20、隙直径大于细颗粒直径,3.4 渗透力与渗透变形,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示,0 5 10 15 20 25 30 35,1.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,伊斯托敏娜（苏）,中国学者,Cu 20时,icr=0.25-0.30，考虑安全系数后：i=0.10-0.15,渗透变形的防治措施,减小i：延长渗径 降低水头增大i：下游增加盖重,3.4 渗透力与渗透变形,改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降,防治流土,防治管涌,小 结,3.4 渗透力与渗透变形,工程实例渗流问题,土的渗透性及渗透规
21、律,二维渗流及流网,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,平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用,渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网 3.4 渗透力与渗透变形 3.5 在静水和有渗流情况下的空隙 水应力和有效应力,第三章：土的渗透性和渗流问题,太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963),太沙基 土力学的奠基人,1921-1923年提出土的有效应力原理和土的固结理论，1925年出版经典著作土力学，首次将各种土工问题归纳成为系统的有科学
22、依据的计算理论，奠定了他作为土力学创始人的地位,3.5,对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何影响？,土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体（水和气）三相构成的碎散材料，受外力作用后，总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,Terzaghi的有效应力原理和固结理论,有效应力原理,3.5,外荷载 总应力,饱和土中的应力形态,饱和土是由固体颗粒骨架和充满其间的水组成的两相体。受外力后，总应力分为两部分承担：,由土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之为粒间应力有由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，称之为孔隙水压力。孔隙水不能承担剪应力，但能承受法向
23、应力,3.5,a-a断面竖向力平衡：,饱和土有效应力原理,3.5,甲 乙,松散砂土中两种应力试验,由钢球施加的应力，通过砂土的骨架传递的部分，称为有效应力（），这种应力能使土层发生压缩变形,由水施加的应力通过孔隙中水来传递，称为孔隙水压力（u），这种应力不会不能使土层发生压缩变形,3.5,饱和土的有效应力原理,饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分和u，并且：土的变形与强度都只取决于有效应力,一般地，,有效应力,总应力已知或易知孔隙水压测定或计算,3.5,有效应力原理的讨论,孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论,它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，导致孔隙体积
24、发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力,3.5,有效应力原理的讨论,孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论,是土体发生变形的原因：颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与有关是土体强度的成因：土的凝聚力和粒间摩擦力均与有关,3.5,有效应力原理的讨论,孔隙水压力的作用有效应力的作用讨论,3.5,3.5,孔隙水压力和有效应力计算,静水条件 稳定渗流条件,地下水位海洋土,向上渗流向下渗流,3.5,静水条件：地下水位,总应力：单位土柱和水柱的总重量,=H1+s
25、atH2,孔隙水压力：净水压强,u=wH2,有效应力：,=-u=H1+(sat-w)H2=H1+H2,地面,A,静水条件：水位下降,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因,3.5,静水条件：海洋土,总应力：单位土柱和水柱的总重量,=wH1+satH2,孔隙水压力：净水压强,u=w(H1+H2),有效应力：,=-u=H2,H1,H2,=-u,地面,水位,A,3.5,3.5,稳定渗流条件：,3.5,稳定渗流条件：向上渗流,土水整体分析,总应力：单位土柱和水柱的总重量,=satH,孔隙水压力：净水压强,u=w(H+h),有效应力：,=-u=satH-wH-wh=
26、H-wh,渗透压力，向上渗流使得有效应力减小,3.5,稳定渗流条件：向下渗流,土水整体分析,孔隙水压力：,u=w(H-h),有效应力：,=-u=satH-wH+wh=H+wh,渗透压力，向下渗流使得有效应力增加可导致土层发生压密变形，称渗流压密,根据流网确定孔隙水压力,3.5,注意：当计算点位于下游静水位以下时，孔隙水压力是由两部分组成，一是由下游静水位产生的静孔隙水压力，二是由渗流所引起的超静孔隙水压力,闸基下的渗流,本章作业：3-5,请注意对第一章和第二章的复习！,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,Teton坝失事现场现状,原因,土石坝坝基
27、坝身渗流破坏实例,失事原因研究结论,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,九江大堤决口,1998年8月7日13:10发生管涌险情，很快形成宽62m的溃口,堤基管涌,焦点词汇：豆腐渣工程,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,沟后面板砂砾石坝,位于青海省，高71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,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,西藏易贡巨型滑坡,时间：2000年4月9日约20时规模：滑坡体自相对高差近3330m的雪峰阳坡滑下，历时
28、约10分钟，滑程8km。堆积体长、宽各约2500m，平均厚60m，最厚100m，体积约2.8亿-3.0亿m3。地质：滑坡堆积体80%以上是砂性土险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积22km2，湖长17km，水位以每天0.5-0.6m的速度上涨，湖水无下泄通道，预计6月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达40亿-60亿m3,降雨入渗引起的滑坡,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,湖水每天上涨50cm！,易贡巨型滑坡现场,降雨入渗引起的滑坡,预案一：加强监测，上、下游移民工作，库满自溢漫顶溃口预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢流漫顶溃口。预案三
29、：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆积体成坝，堰塞湖成库,易贡滑坡处理预案,最终采用预案二,降雨入渗引起的滑坡,漫顶溃口模拟实验,溢洪道,武警部队等700多名抢险人员，奋战33天，累计开挖土石方135.5万m3，有效降低了堆积体过水高程24.1m，减少拦存湖水约20亿m3施工队伍6月4日撤离；6月8日6时40分，泄水渠过水，至11日2时50分堆积体溃决；11日21时，滑坡体拦存的湖水按预定方案完全下泄 泄洪时易贡湖库容量已达30多亿立方米,易贡滑坡处理结果,降雨入渗引起的滑坡,唐家山堰塞湖上游地区水位持续上涨(2008年四川地震）,水位上涨 北川禹里乡村民发出求救信号,唐家山堰塞湖泄流槽共设计高中低三种方案，水电部队最终采用挖掘量最大、保险系数最高的低方案。,
