土力学_第3章(土的渗透性及土的有效应力)教程.pptx

第三章 土的渗透性及土的有效应力 主要内容：土的渗透性和渗透规律 研究对象：饱和土体 “管涌” 渗漏 一、土的渗透性 （1）水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动 的现象，称为水的渗透 （2）土体被水透过的性能，称为土的渗透性。 （3）土的渗透对工程会产生两个问题： （a）渗漏问题； （b）渗透稳定性问题 二、达西定律及其适用范围 （1）土中水的渗流 ①渗流：水在土体孔隙中流动的现象。（清华—土力学） 水流 ②渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。 （冯国栋—土力学） 水头：单位重量的水所具有的能量。 水力梯度（坡降）：单位流程总水头的变化 总水头＝势水头＋压力水头＋动水头 最关心的不是水头而是水头差！ 土中的水沿着流线方向每前进Δs的距离，就要有- Δh的水头损失。 （2）Darcy定律 （法国工程师，1856年提出） 渗透系数，单位：cm/s 式中：v — 渗透速度(m/s)； i —水头（力）梯度； k —渗透系数(m/s)； Q —渗透流量(m3/s) A —截面积。 渗透速度 水头梯度 渗透流量 （3）Darcy定律适用范围 ①（v-i）这种线性关系，只适用于层流 渗透速度大时不适用（临界速度ver） ② 对于密实的粘性土，坡降（i）小 时也不适用（起始坡降 i o）。 在粗粒土中（砾石、卵石和碎石），渗透速度大，线性关系不适用。 Darcy定律的表达式为： 摘自《清华-土力学》 Darcy定律的表达式为： 三、渗透系数测定方法及影响因素 （1）测定方法 室内试验 常 水 头 变 水 头 10-3cm/s的砂土 渗透系数测定 现场试验 注水试验 10-3cm/s的粉土和粘土 常水头试验示意图 ①常水头渗透试验 故，渗透系数为： 截面积为A，流径L； 压力水头维持不变； 试验开始时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得a、b两点水头差h。 则得： k10-3cm/s的砂土 常水头试验装置 土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0 经过时间t后降为h1 时间dt内水头降低dh，水量为： 变水头渗透试验示意图 ②变水头渗透试验 另外： k10-3cm/s的粉土和粘土 流入和流出相等： 由此求得渗透系数： 整理并积分得 即 变水头渗透试验装置 ③现场抽水（注水）试验 （摘自：清华—土力学，p44） （？） （a）强透水层：K 10-3cm/s （b）中等透水层： K ＝ 10-3 ～ 10-5 cm/s （c）弱透水层（相对不透水层）： K 10-6cm/s 渗透系数参考值（来源？） ④利用渗透系数判断土层的透水性 （2）影响因素 土颗粒的粒径、级配和矿物成分（大） 土的结构和构造 孔隙比或孔隙率（大） 水的动力粘滞度 土的饱和度？ d10—含量小于10%的粒径，cm； c—经验系数，40-150之间。 （摘自：清华-土力学） （3）层状土的渗透性 x方向的平均渗透系数Kx y方向的平均渗透系数Ky 水平方向由最大的一层渗透系数决定，垂直方向由最小的一层渗透系数决定。 四、渗流作用下土的应力状态（摘自：土力学—冯国栋，p39） （1）静水条件下土的有效应力与中性应力 a点的总应力 a点的静水压强 a点的有效应力 孔隙水压力，也叫中性应力 土的强度和变形的变化都只取决于有效应力的变化而不是总应力。 （清华-土力学，96页） （2）渗透力 定义：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力为渗透力 j。 体积力，单位：kn/m3 渗流流过土体，土颗粒对水流产生阻力，造成水头损失h。 公式推导请见清华—土力学，p56-57 （B）渗流向上时的a点有效应力 （3）渗流作用下土的有效应力 （A）渗流向下流动时的a点有效应力 渗透力J 五、渗流对工程稳定性造成的破坏 渗透变形 （1）主要有：流沙（土）和管涌 （2）定义及产生的条件 流土：在向上的渗透水流作用下，表层土均布范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。 管涌：在渗流水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌。 1 2 H h a ①流沙（土）临界坡降 临界