土力学第三章土的渗透性

土体的临界状态-1
• 土体的临界状态： 指土体即将发生渗透变形时的状态。 渗流从下往上 • 渗透力与浮容重的关系： 总渗透力为：J=hA=AiL， 方向向上 试样浮重为： W=AL 方向向下 如果提高贮水器，使总渗透力与试样的浮重相等 则：J= W AiL=AL
=i =/i
成层土的渗透性
• 因为土实际上是成层分布的，所以存在着平行层理 方向和垂直层理方向的渗透系数。
y
H1 q1 i1 k1
水平
垂直
H2 q2 i2 k2 H3 q3 i3 k3 0 x
平行层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）各层的水力坡降相等，即i= i1= i2； 2）总渗流量等于各分层流量之和，即q= q1+ q2 则两层土的水平向渗透系数为：
h2 h
h2 h
渗透力
• 渗透力J： 指渗透水流对土颗粒的作用力。 方向：与渗透水流的运动方向一致。 • 单位体积渗透力j： 指总渗透力与试样体积之比。 方向：与总渗透力的方向一致。
J j V
单位体积渗透力-1
• 土粒对水流的阻力：
临界水力坡降
• 临界水力坡降： 指土体即将发生渗透变形时的水力坡降。 这时，向上的渗透力等于土体的浮重量， 土体中的有效应力为0。
0
• 流土的临界水力坡降：
j icr
• 管涌的临界水力坡降： 目前计算还不完善土体的安全稳定，应考虑一定的安全系数。 • 允许水力坡降： 指临界水力坡降除以一个大于1的安全系数。
• 渗透变形：指渗透水流导致土体发生变形或破坏的现象。 • 渗透变形的形式： 流土、管涌 • 流土： 指粘性土或非粘性土在渗透水流作用下，土中某一部分 土体同时发生移动的现象，发生于渗流出逸处。 • 管涌： 非粘性土在渗透水流作用下，土中细小颗粒沿着粗大颗 粒间的孔 隙被带出到土体外面的现象，发生于土体内 部或渗流出逸处。
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力增加h，
有效应力等量减小h。
渗流作用下的有效应力原理
• 静水条件下的有效应力： h2 等于土体的浮容重乘以水头高度。 • 稳定渗流条件下的有效应力： 渗流从上到下： 有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再加上 水的容重乘以水头高度。 渗流从下到上： 有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再减去 水的容重乘以水头高度。
QL k Aht
h1 aL k 2.3 log A(t 2 t1 ) h2
渗透试验简图
• 常水头试验： 试验过程中，h保持不变 • 变水头试验： 试验过程中， h随时间变化（下降）
h
a b
h1 h2
a b
土的透水性划分
• 根据渗透系数的大小，土的透水性划分为三类： 强透水性土：k>10-2cm/s 中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s 弱透水性土：k<10-6cm/s • 实际工程中，根据实际部位的要求，选择相应透 水性的土体。
icr [i ] Fs
一般，安全系数Fs=2.0-3.0 • 土体是否发生渗透变形，就是将实测水力坡降i实与 允许水力坡降[i]进行比较。
渗透变形的判断
• 将实测水力坡降i实与允许水力坡降[i]进行比较： i实>[i]，土体发生渗透变形； i实=[i]，土体处于临界状态； i实<[i]，土体处于稳定状态。 • 要保证土体不发生渗透变形，要求实测水力坡降 小于允许水力坡降。
表明：渗透力就等于浮容重 j==i
土体的临界状态-2
• 土体中的有效应力： 当土体处于临界状态时，渗流方向从下往上，这时， 渗透力等于土样的浮容重，土体中的有效应力为： =h2-h =h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0 说明： 有效应力为0，表明土颗粒间不存在接触应力，在渗 流作用下，试样处于即将被浮动的临界状态。 所以，土体的渗透变形取决于土的浮容重与向上的渗 透力的大小。
• 砂土的渗透性： 砂土颗粒较粗，颗粒之间不存在连接力， 只要存在水力坡降，水在砂土中就会发生流动。 • 渗透系数： 指水力坡降等于1时的渗透速度。 反映土体渗透性的大小。
h v ki k L
粘性土的达西定律
• 粘性土的达西定律： 当水流处于层流状态时， 粘性土的渗透速度与水力坡降成正比。
渗透系数影响因素-2
• 水的动力粘滞系数的影响： 渗透系数k随温度的变化而变化。渗透系数以10C时的 温度为准，其它温度下的渗透系数kT需换算成10C下的 渗透系数k10： k10= kT. T/10 （是水的动力粘滞系数） • 封闭气体的影响： 土中气体分为两部分：自由气体、封闭气体。 封闭气体的存在，会阻塞通道，影响土的渗透性。 封闭气体含量越多，则渗透系数越小。 • 成层土的影响： 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数。
a
1
a
h2 b b
静水条件下的有效应力原理
• b-b平面上的应力： 总应力为： =h1+sath2 孔隙水应力为： u=h1+h2 则有效应力为： =-u= sath2-h2=h2 • 讨论： 1）有效应力与土深成正比，而与水深无关，它是土 柱的有效重量（因为水下的土粒受到水的浮力作用， 其重量按浮容重计算），成三角形分布； 2）孔隙水应力与水深成正比，也成三角形分布。
有效应力原理
• 有效应力原理： 指土体在外荷载作用下， 孔隙水压力和有效应力之和始终等于总应力。 孔隙水压力增加，必然引起有效应力减小； 孔隙水压力减小，必然引起有效应力增大， 增加的量和减小的量相等。
u
计算简图
• 分析a-a、b-b水平面上的总应力、孔隙水应力和有 效应力 • 渗流方向： 1）不发生渗流 h=0 h 2）从上往下 h<0 3）从下往上 h>0 h
则有效应力=-u=h2+h
而有效应力增加h。
稳定渗流条件下的有效应力原理-2
• 渗流从下到上： • 在a-a平面上：
孔隙水应力u=h1 则总应力=+u=h1 • 在b-b平面上： 总应力=h1+sath2 • 与静水条件比较： 孔隙水应力u=h1+h2+h 则有效应力=-u=h2-h 有效应力=0
水要流过试样，必须克服整个试样内土粒对水流的 阻力所引起的水头损失h， 这时土粒对水流阻力为：F=hA
单位体积渗透力-2
• 总渗透力： 由于土中水的渗透速度很小，流动水体的惯性力可以 不计，根据平衡条件，渗流作用于试样的总渗透力J就等 于试样中土粒对水流的阻力F，只是方向相反，即：
J= F=hA
稳定渗流条件下的有效应力原理-1
• 渗流从上到下： • 在a-a平面上： 孔隙水应力u=h1 则总应力=+u=h1 • 在b-b平面上： 总应力=h1+sath2 • 与静水条件下比较： 总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h， 孔隙水应力u=h1+h2-h 有效应力=0
有效应力和孔隙水压力
• 外荷载分担： 外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部 分由孔隙水承担，一部分由孔隙气体承担。 对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。 • 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。 • 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。 • 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。 • 总应力、有效应力和孔隙水压力之间存在关系。
渗透系数的影响因素-1
• 影响因素：颗粒大小和级配、孔隙比、水的动力粘滞 系数、封闭气体、有机质和胶体颗粒、成层土 • 颗粒大小和级配的影响： 颗粒大，渗透系数大；颗粒小，渗透系数小。级配不 均匀的渗透系数小于级配均匀的渗透系数，说明级配 越不均匀，渗透系数越小；级配越均匀，渗透系数越 大。 • 孔隙比的影响： 土越松散，孔隙比越大，则渗透系数越大； 土越紧密，孔隙比越小，则渗透系数越小。 • 有机质和胶体颗粒的影响： 有机质越多，胶体颗粒含量越少，渗透系数越大。
v k (i ib )
• 起始水力坡降ib： 由于粘性土的颗粒之间存在连接力所致。 • 粘性土的渗透性： 相同水力坡降条件下，水在砂土中可以流动， 而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降时才流动
渗透系数的测定
• 试验方法： 常水头试验、变水头试验 • 常水头试验： 在试验过程中水头始终保持不变，适用于粗粒土。 测定在一定时间内流出的水量计算渗透系数。 • 变水头试验： 在试验过程中水头不断变化，适用于细粒土。 测定水头下降一定高度所需要的时间计算渗透系数。
土的渗透性的概念
• 水的渗透： 指水在水力坡降的作用下，流过土中连通孔隙的现象。 • 土的渗透性： 指土体具有让水透过的性能。 • 水力坡降： 指土体两端的水头与要流过的土体厚度之比。 • 水要在土体中发生流动，必须达到一定的水力坡降。
砂土的达西定律
• 砂土的达西定律： 当水流处于层流状态时， 砂土的渗透速度与水力坡降成正比。
• n层土的渗透系数：
垂直层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）总水头等于两部分水头损失之和， 即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2； 2）各层的渗流量相等，即q=q1=q2。 则两层土的垂直向渗透系数为：
• n层土的渗透系数：
讨论
• 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数 kx> ky • 说明： 1）如果成层土的厚度大致相同，而渗透系数又相 差比较大的情况下，水平方向的渗透系数取决于透水 性最大一层的渗透系数； 2）垂直方向的渗透系数则取决于最不透水一层的 渗透系数。
• 单位体积渗透力： 作用在单位土体上的渗透力j为：
单位：KN/m3
说明
• • • • • 单位体积渗透力与水力坡降的一次方成正比； 单位体积渗透力是一个体积力； 渗透力的方向与渗流方向一致； 渗透力的作用点在土体的重心处。 当渗流方向与土体的重力方向相反时，渗流的运 动对土体的稳定有影响。