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1、土力学原理土力学原理内容回顾内容回顾颗粒级配的工程应用土的压实性土的液塑性土土 力力 学学 原原 理理台州学院建筑工程学院Soil Mechanics土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.1 概述概述p几个基本概念几个基本概念u渗透渗透：液体从物质微也中透过的现象；：液体从物质微也中透过的现象；u渗透性渗透性：土体具有被液体透过的性质，也称透水性；：土体具有被液体透过的性质，也称透水性；u渗流渗流：液体在土孔
2、隙或其他透水性介质中流动问题称：液体在土孔隙或其他透水性介质中流动问题称为渗流。为渗流。p渗透性研究的三个方面渗透性研究的三个方面u渗流量问题渗流量问题u渗透破坏问题渗透破坏问题u渗透控制问题渗透控制问题土力学原理土力学原理土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层3.1 概述概述p土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流涉及渗流量与渗透破坏问题。涉及渗流量与渗透破坏问题。不透水层不透水层土力学原理土力学原理3.1 概述概述p板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙涉及渗流量、渗流压力与渗透破坏问题。涉及渗流量、渗流压力与渗透破
3、坏问题。土力学原理土力学原理3.1 概述概述p水井渗流问题水井渗流问题透水层不透水层天然水面天然水面漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q抽水量涉及渗流量、水力参数问题。涉及渗流量、水力参数问题。土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p水头变化水头变化3.2.1 达西定律达西定律总水头线LzAhA测管测管zBhB基准高程面土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p水头与水力梯度水头与水力梯度u水头：水头：单位重量的水所具
4、有的能量单位重量的水所具有的能量u总水头：总水头：总水头势水头压力水头动水头，亦即：总水头势水头压力水头动水头，亦即：考虑到土中水的流速很小，可以忽略，于是，总水头考虑到土中水的流速很小，可以忽略，于是，总水头可简化为：可简化为：u水力梯度（或坡降）：水力梯度（或坡降）：单位流径长度上的水头差：单位流径长度上的水头差：称之为称之为测压管水头测压管水头。土力学原理土力学原理p达西定律达西定律3.2 土的渗透性土的渗透性u法国人达西（法国人达西（Darcy）根据试验，得出：在）根据试验，得出：在层流层流条件条件下，土中水渗流速度与水头损失之间的关系，即下，土中水渗流速度与水头损失之间的关系，即达西
5、达西定律：定律：式中，式中，q是单位渗水量，以是单位渗水量，以m3/s计；计；v是断面平均流速，以是断面平均流速，以m/s计；计；i是水力梯度，无量纲；是水力梯度，无量纲；k称为称为渗透系数渗透系数，以，以m/s计；计；A是断面面积，以是断面面积，以m2计；计；土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p达西定律的适用范围达西定律的适用范围v=kiivO O砂土砂土ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化0iv密实粘土密实粘土u较大水力梯度时，达西较大水力梯度时，达西定律定律不能不能适用适用 u密实的粘土，需要克服结合密实的粘土，需要克服结合水的水的粘滞阻力粘滞阻力后才能发生渗后
6、才能发生渗透透;同时渗透系数与水力坡降同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈的规律还偏离达西定律而呈非线性关系非线性关系 u砂土的渗透速度与砂土的渗透速度与较小较小水力梯度之间呈线性关系水力梯度之间呈线性关系 土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性3.2.2 室内室内渗透试验渗透试验p常水头试验常水头试验u时间时间t内流出的水量内流出的水量u常水头试验：常水头试验：整个试验过程中整个试验过程中水头保持不变，主要适用于透水水头保持不变，主要适用于透水性大（性大（k10-3 cm/s）的土，例如砂）的土，例如砂土。土。于是可知：于是可知：土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的
7、渗透性p变水头试验变水头试验u 任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时，经时段段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量.dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 由于管内减少水量就是流经试样水量由于管内减少水量就是流经试样水量adh=kAh/Ldt u适用于透水性差，渗透系数小的适用于透水性差，渗透系数小的粘性土粘性土 于是，可解得：于是，可解得：土力学原理土力学原理3.2.3 渗透系数渗透系数3.2 土的渗透性土的渗透性p影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素u土粒大
8、小与级配土粒大小与级配 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。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。u土的密实度土的密实度 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。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。u土中封闭气体含量土中封闭气体含量 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。含量愈多，土的渗透性愈
9、小。土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素u水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 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。滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。式中：式中：kT、k20分别为分别为T和和20时水的动力粘滞系数，可查表时水的动力粘滞系数，可查表。u土的结构与构造土的结构与构造 细粒土的结构一旦扰动，原有的过水通道的形状、大小及其分细粒土的结构一旦扰动，原有的过水通道的形状、大小及其分布就会发生改变，因而渗透系数也会受到影响。布就会发生改变，因而
10、渗透系数也会受到影响。土力学原理土力学原理3.2 土的渗透性土的渗透性p经验确定方法经验确定方法u对于松砂土对于松砂土 式中：式中：d10是有效粒径（是有效粒径（cm），k以以cm/s计计。u对于较密实砂土对于较密实砂土 u对于粘性土对于粘性土 式中：式中：C3和和n是由试验确定的常数是由试验确定的常数。土力学原理土力学原理p成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数3.2 土的渗透性土的渗透性u渗流与层面平行渗流与层面平行 式中：式中：khi是第是第i层土与层面平行的平均渗透系数；层土与层面平行的平均渗透系数；Hi是第是第i层土的层土的厚度；厚度；H是土层总厚度是土层总厚度。u渗流与层面垂直渗
11、流与层面垂直 式中：式中：kvi是第是第i层土与层面垂直的平均渗透系数层土与层面垂直的平均渗透系数。土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网p渗流方程渗流方程拉氏方程拉氏方程3.3.1 二维渗流方程二维渗流方程vzvxzxo 假定水体不可压缩，根据水流连假定水体不可压缩，根据水流连续原理：续原理：dqe=dqo，于是：，于是：再考虑达西定律，则可得再考虑达西定律，则可得：土力学原理土力学原理3.3 土中
12、二维渗流及流网土中二维渗流及流网p流网特征流网特征拉氏方程的图解法拉氏方程的图解法绘制流网。绘制流网。u由流线与势线所组由流线与势线所组成的正交网格；成的正交网格；u各个网格的长宽比各个网格的长宽比为常数，长宽比为为常数，长宽比为1时时的网格最常用；的网格最常用；u相邻等势线之间的相邻等势线之间的水头损失相等水头损失相等；u各个流槽的渗流量各个流槽的渗流量相同相同。ABCDEFGH势线条数：势线条数：m11；流线条数：；流线条数：n5土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网p流网计算流网计算u渗流量计算渗流量计算1.相邻等势线间的水头损失：相邻等势线间的水头损失：2.单
13、流槽的渗流量：单流槽的渗流量：3.总渗流量：总渗流量：u孔隙水压力计算孔隙水压力计算土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网例例1:已知下图中已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求试求（1）图中）图中A、B点的点的孔隙水压力；（孔隙水压力；（2）求每）求每1米板桩宽度的渗流量米板桩宽度的渗流量。解解：先确定势线数：先确定势线数：m11（包括两条液（包括两条液面线）面线）以及流线数：以及流线数：n6（包括（包括板桩面、不透水层界面）板桩面、不透水层界面）总水头差为总水头差为H=1
14、1-2=9mH1=11mH2=2mAB5m5m土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网例例1:已知下图中已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求试求（1）图中）图中A、B点的点的孔隙水压力；（孔隙水压力；（2）求每）求每1米板桩宽度的渗流量米板桩宽度的渗流量。解解：由此可知每个网格：由此可知每个网格的水头差为：的水头差为：hm（1）计算孔隙水压力）计算孔隙水压力CD 若假定若假定CD面为基准面面为基准面,则则CD面上的任意点测管面上的任意点测管水头为：水头为：H1=11mH2=2
15、mAB5m5mhCD11m土力学原理土力学原理3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网例例1:已知下图中已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求试求（1）图中）图中A、B点的点的孔隙水压力；（孔隙水压力；（2）求每）求每1米板桩宽度的渗流量米板桩宽度的渗流量。CDH1=11mH2=2mAB5m5m解解：根据流网图，可知：根据流网图，可知A点的测管水头为：点的测管水头为：hA11-1m于是可知于是可知：A点的压力点的压力水头：水头：pA10.1-(-5)m故而故而A点的压力水头：点的压力水头：uA10
16、151kPa土力学原理土力学原理例例1:已知下图中已知下图中H111m，H22m，板桩的入土深度是，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是，地基土的渗透系数是5104cm/s。试求试求（1）图中）图中A、B点的点的孔隙水压力；（孔隙水压力；（2）求每）求每1米板桩宽度的渗流量米板桩宽度的渗流量。CDH1=11mH2=2mAB5m5m解解：类似地可解得：类似地可解得B点点孔隙水压力为：孔隙水压力为：uB(11-90.9-(-5)1079kPa（2）根据渗流量公式可）根据渗流量公式可知：知：3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网土力学原理土力学原理主要内容主要内容(Contents)概述概
17、述概述概述 土的渗透性土的渗透性 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 123渗透破坏与控制渗透破坏与控制4土力学原理土力学原理3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3.4.1 渗流力渗流力p1p2GwTh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b水柱水柱对水柱隔离体而言：对水柱隔离体而言：（1）水柱重力：）水柱重力：Gw=LAww（2）水柱上下边界水压力：）水柱上下边界水压力：p1=Aw hwwp2=Aw h1w（3）单位体积土柱内的土粒对）单位体积土柱内的土粒对水流阻力水流阻力T，其大小与渗流力，其大小与渗流力J（单位体积土颗粒所受到的渗单位体积土颗粒所受到的渗单位体积土颗粒所受到
18、的渗单位体积土颗粒所受到的渗流作用力流作用力流作用力流作用力）相等，方向相反。总）相等，方向相反。总阻力为：阻力为：p渗流力计算公式渗流力计算公式T=T Aw L土力学原理土力学原理3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制p1p2GwTh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b水柱水柱p渗流力计算公式渗流力计算公式建立平衡方程：建立平衡方程：Aw hww+Gw+T Aw h1w于是：于是：Twh/L w i由由JT知：知：Jwh/L w i 由此可见：渗流力是一种由此可见：渗流力是一种体积力体积力，量纲与，量纲与w 相同。其相同。其大大小小与水力梯度成正比，与水力梯度成正比，方向方向与
19、与流向相同。流向相同。土力学原理土力学原理3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3.4.2 渗透破坏渗透破坏p流砂或流土流砂或流土粘性土粘性土k110的土才会发生管涌。的土才会发生管涌。土力学原理土力学原理p流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流流 土土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管管 涌涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通
20、道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制土力学原理土力学原理 基基 础础 工工 程程 土木工程学院土木工程学院流土与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关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
21、破坏；一般认为不均匀系数发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，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（此时细料含量约为约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会），此时的阻力最大，
22、一般不出现管涌而会发生流土现象发生流土现象土力学原理土力学原理 基基 础础 工工 程程 土木工程学院土木工程学院例题分析例题分析【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs=，孔隙比，孔隙比e=，下游渗流出口，下游渗流出口处经计算水力坡降处经计算水力坡降i为，若取安全系数为，若取安全系数Fs为，试问该土坝地为，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏基出口处土体是否会发生流土破坏【解答解答】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际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，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏生流土破坏 允许水力坡降允许水力坡降 土力学原理土力学原理 基基 础础
23、工工 程程 土木工程学院土木工程学院防治防治流土流土石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；增长渗流路径；增长渗流路径；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；平衡渗流力；土层加固处理，如冻结法、注浆法等。土层加固处理，如冻结法、注浆法等。三、防治措施三、防治措施三、防治措施三、防治措施土力学原理土力学原理 基基 础础 工工 程程 土木工程学院土木工程学院防治防治管涌管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙土力学原理土力学原理本章结束