课件-土的渗透及有效应力原理.ppt

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1、土的渗透及有效应力原理,土的渗透定律 渗透系数及其确定方法 饱和土中的应力和有效应力原理 渗透变形及防治措施,主要内容,土的渗透定律,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。 渗 流：在水头差作用线，水透过土孔隙的现象。 渗透性：土允许水等液体透过的性质。,渗透研究的内容： 1. 渗流量。 2. 渗透变形(渗透破坏) 3. 渗流控制,水头：按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成： 1. 位置水头 z 2. 压力水头 u/w 3. 流速水头 v2/2g,水头及水力坡降 1. 水头 为了研究的方便，用水头的概念来表征水的能量。,由于土中渗流阻力大，流速

2、v 在一般情况下都很小，可以忽略。,h=z + u/w +v2/2g,水力坡降 : i=h/L i 称为水力坡降，L为两点间的渗流路径。 其物理意义：单位渗流长度上的水头损失,2.水力坡降,总水头表达式,土的渗透定律,达西定律 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即,写成等式为：,上式称为达西定律。 式中，v断面平均渗透速度，单位mm/s或m/day； k反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力 坡降i1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。,土的渗透定律,注意：渗流

3、流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。 定义实际平均渗流速度为vs，也称渗透流速,达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用,A Av,qVA VsAv,为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速，即渗流速度,Vs是否是真实的流速？,土的渗透定律,影响渗透系数的因素 (1)土的粒度成分(粒径大小与级配)和矿物成分的影响； (2)土的结构； (3)土中气体的影响； (4)渗透水的性质对渗透系数的影响,渗透系数及其确

4、定方法,表3-2 渗透系数 k 的一般范围,渗透系数及其确定方法,渗透系数的测定 渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k 值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (1)渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。 实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。 现场测定法 现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。,渗透系数及其确定方法,常用于粗粒土，如粗、中砂和砾石等渗

5、透系数大于10-4cm/s的土的渗透系数测定。其仪器设备简图见图3-5（70型渗透仪）。 为保证试样的饱和，试样首先宜真空饱和，试验用水为脱气水。记录一定时间间隔 t 的渗流量 Q，并用下式计算渗透系数： （cm/s） 式中：Q 时间 t 秒内渗透水量，cm3； L 相邻测压孔间试样高度，cm； A 试样断面积，cm2； h , 平均水头差，cm；h1 和 h2见图35。,图 常水头试验,常水头试验,渗透系数及其确定方法,这种试验设备型式有多种，其基本原理如图3-6所示。适用于细粒土，如粉细砂、粉土和粘土的渗透系数测定。试验前也宜用真空法饱和土试样，试验中使用脱气水。 试验中，量水管水位、水力

6、坡降、流速和流量都是随时间变化的函数。根据达西定律，在任意时刻 t 的单位面积流量：,图变水头渗透试验原理图,变水头试验,渗透系数及其确定方法,在 dt 时段中从管中流出试样的水量： 在 dt 时段中从管中流入试样的水量： 其中 a 为量水管内部断面积，dh 为 dt 时段中量水管水位的变化量。对于稳定渗流： 在从 t1 到 t2 这一试验时段中，如管内水位从 h1 降到 h2，则有 积分整理后得到：,或：,或：,渗透系数及其确定方法,现场测定试验方法 与室内试验相比，该法测定的渗透系数更接近工程的实际情况。但由于实际地基土层多为各向异性的且有分层或夹层的，故测得的渗透系数往往是一综合平均值。

7、此外现场试验的费用较高，所用时间也较长。 井孔抽水试验是最常见的一种现场试验法，其原理见图3-7。在相对不透水土层上有一较深厚均匀的透水层，抽水井孔直达不透水层。抽水时形成无压的渗流，有自由的地下水渗流表面。当抽水达到稳定状态时，此漏斗形的地下水面保持不变。试验中需在距抽水井中心分别为 r1 和 r2 的距离处布置二观测井，并测得井中水位面距不透水层的高度分别为h1和h2。,渗透系数及其确定方法,图 在自由透水层中的井孔抽水试验,取以抽水井为中心、半径为 r、厚度为 dr 的薄圆筒，其地下水面以下高度为 h， 筒内外表面水头差为dh。 则水力坡降 薄圆筒侧面积 根据达西定律 积分后得 由此得渗

8、透系数 k 的计算式： 在已知土的渗透系数 k 的情况下，也可通过上式计算人工降水的降水深度。,渗透系数及其确定方法,渗透系数及其确定方法,成层土的等效渗透系数,(一)水平渗流 水平渗流的特点： (1) 各层土中的水力坡降i(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同 (2) 垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量 之和,沿水平方向 的等效渗透系数kh：,将达西定律代入，即,(二)竖向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经等效土层的 单位渗水量等于各土层的单位渗水量，即 (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层 上的水头损失之和，即,渗透系数及其确定方法,

9、将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效 渗透系数,饱和土中的应力和有效应力原理,饱和土体由土颗粒和孔隙水两相组成。两相中和两相间存在着多种力的传递与相互作用，主要有：水与水之间力的传递 水压力传递；颗粒之间通过接触传递压力；水与土颗粒的相互作用力。 考虑饱和土中任一横截面面积为A的水平断面,其上作用着法向力P。该面积包括土粒接触面积Ac(因粒间接触面的方位是随机的，故这里指与面积A平行的接触总面积)和粒间孔隙面积A-Ac。（图3-10）,图3-10 颗粒间的接触,设由P在接触面上引起的法向力为P，在孔隙面积上的压力为 u，则可得竖向平衡方程： P = P+ (A - Ac) u 两边同除以A得

10、： 式中： = P/A ，为总应力； ，为面积A上的平均竖向粒间应力，称为有效应力，即由土颗粒承受或传递的应力； u 为由孔隙水承受或传递的应力，称为孔隙水压力； a = Ac/A , 土粒接触面积比。 一般，土颗粒接触面积很小，a 0.030, 故可不计。则有： 此即 Terzaghi(1923) 所提出的饱和土的有效应力原理,饱和土中的应力和有效应力原理,由于土的强度取决于颗粒间的连接力和摩擦力，只有通过土颗粒接触面传递的粒间应力（即有效应力），才能使土粒挤紧而引起土体变形。因此，土的强度和变形主要由土的有效应力决定。须注意，有效应力 并非土颗粒间的真正接触应力 ，因而有效应力只是一个表象

11、的、虚拟的应力。,图3-11 静水中土体的力的平衡,在分析饱和土中应力与力的传递时，可以取两种隔离体： 一种是将土颗粒孔隙水一起取为隔离体，这时孔隙水与颗粒间的相互作用力就成为内力； 另一种是将土中的土颗粒所形成的骨架单独作为隔离体，这时要考虑颗粒间作用力以及孔隙水作用于土颗粒的力和颗粒本身自重之间力的平衡。现以图3-11所示静水中的饱和土为例，分析其力的平衡条件。,饱和土中的应力和有效应力原理,饱和土中应力与力的传递,R值也可以利用有效应力原理计算求得 在土试样底部，总应力： 孔隙水压力： 有效应力： 纱网承担的就是这部分有效应力，即：,（1）取（土骨架孔隙水）作隔离体。则作用在试样上的竖向

12、力有 自重： ；上部水压力： 下部水压力： ；下部纱网对土样的支持力：R 则可得平衡方程: 得 上式为下部纱网对土体的支持力，它是通过颗粒间接触点传递的，大小等于土粒自重扣除浮力，即用有效重度（浮重度） 计算的土骨架自重,饱和土中的应力和有效应力原理,（2）取土的骨架作隔离体。则作用在骨架上的竖向力有 土粒自重： ；水对土粒的浮力： ；下部纱网支持力R。 考虑这三个竖向力的平衡，可得：,可见: 无论是取土骨架孔隙水作为隔离体, 还是取土的骨架作为隔离体, 计算所得的纱网支持力R都是相等的。,饱和土中的应力和有效应力原理,渗透力 实验验证 当h1h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生， 贮水器向

13、上提升，使h1h2，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j表示。,饱和土中的应力和有效应力原理,考虑水体隔离体的平衡条件，可得：,故渗透力 j = w i 渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。,渗透力的计算,饱和土中的应力和有效应力原理,饱和土中的应力和有效应力原理,A,渗流压密,渗透压力:,地下水位下降，会在土层中产生朝下的渗流，从而使有效应力增加，导致土层发生压密变

14、形，称为渗流压密。这是引起地面沉降的又一个原因。实质上渗透力就是作用于土骨架上的有效应力。,渗流力-稳定向下渗流,A,渗透压力:,渗流力-稳定向上渗流,饱和土中的应力和有效应力原理,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，包括流土，管涌，及不同土层间的接触渗透破坏。,（1）流土在向上渗流作用下，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。发生条件：iicr,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。不同种类的土，发生流土的现象不完全相同：砂土砂沸；粘土表层某局部范围的土体整体被抬起。,渗透变形及防治措施,渗透变形,（2）管涌在渗流作用下，无粘性

15、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。,渗透变形及防治措施,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,一般发生于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,渗透变形及防治措施,防治措施,增大i：下游增加透水盖重,防治流土,减小i ：上游延长渗径； 下游减小水压 设置垂直防渗帷幕,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,渗透变形及防治措施,