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1、关于土的渗透性及渗流(2)第1页，讲稿共63张，创作于星期日2.1 2.1 土的渗透性及举例土的渗透性及举例 由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差时，也就是存由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水透过土体孔隙的现象就叫做点流动。这种水透过土体孔隙的现象就叫做渗透（渗流）。渗透（渗流）。土具有被水等液体透过的性质叫土具有被水等液体透过的性质叫渗透性。渗透性。土的问题土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土
2、体、是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。稳定性或产生有害变形的问题。第2页，讲稿共63张，创作于星期日浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流第3页，讲稿共63张，创作于星期日透水层透水层不透水层不透水层板桩墙板桩墙基坑基坑板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流量渗流量渗透变形渗透变形第4页，讲稿共63张，创作于星期日渗流量渗流量渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流
3、第5页，讲稿共63张，创作于星期日透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q第6页，讲稿共63张，创作于星期日渗流滑坡渗流滑坡第7页，讲稿共63张，创作于星期日土的水理性质：土的水理性质：土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。这里主要讨论以下的两方面问题：这里主要讨论以下的两方面问题：土的毛细水性质土的毛细水性质 土的冻胀土的冻胀2.2 2.2 土的水理性质土的水理性质第8页，讲稿共63张，创作于星期日土的毛细水性质土的毛
4、细水性质 土的毛细现象：土的毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象。他方向移动的现象。土能够产生毛细现象的性质称为土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性。土的毛细性。土的毛细性对工程的影响：土的毛细性对工程的影响：毛细水上升是引起路基冻害的因素之一毛细水上升是引起路基冻害的因素之一 对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿 毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农业经济都有很毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农业经济都有很大的影响大的影响第
5、9页，讲稿共63张，创作于星期日土的冻胀土的冻胀 地下水位地下水位较较高高处处的粉砂、粉土、粉影响的粉砂、粉土、粉影响冻胀冻胀的因素有下列三个方面：（的因素有下列三个方面：（1）土的因素；（）土的因素；（2）水的因素；（）水的因素；（3）温度的因素）温度的因素 上述三方面的因素是土上述三方面的因素是土层发层发生生冻胀冻胀的三个必要条件。其的三个必要条件。其结论结论是：是：在持在持续负续负温作用下，温作用下，质质粘土等土粘土等土层层常具有常具有较较大的大的冻胀冻胀危害。危害。主要措施主要措施：将构筑物基：将构筑物基础础底面置于当地底面置于当地冻结冻结深度（可深度（可查查有关有关规规范）以范）以下
6、，以防止下，以防止冻冻害的影响。害的影响。第10页，讲稿共63张，创作于星期日2.3 2.3 地下水的运动方式和判别地下水的运动方式和判别地下水：地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水总总是是处处在运在运动动状状态态之中。之中。地下水的运地下水的运动动方式的分方式的分类类：按流按流线线形形态态：层层流、湍流流、湍流 按水流特征随按水流特征随时间时间的的变变化状况分化状况分为为：稳稳定流运定流运动动、非、非稳稳流运流运动动 按水流在空按水流在空间间上的分布状况分上的分布状况分为为：一：一维维流流动动、二、二维维流流动动、三、三维维流流动动地下
7、水运动的基本方式地下水运动的基本方式第11页，讲稿共63张，创作于星期日 雷雷诺诺（英国）（英国）1883年得出了划分年得出了划分层层流与湍流的定量界限，称流与湍流的定量界限，称雷雷诺诺数。数。圆圆管中水的流管中水的流动动雷雷诺诺数：数：式中：式中：v为圆为圆管水流的速度，管水流的速度，cm/s；d为圆为圆管的直径，管的直径，cm；s为为水的运水的运动动粘滞系数，也称斯粘滞系数，也称斯托克斯系数，托克斯系数，1ST=1cm2/s。当温度。当温度T=0摄摄氏度氏度时时，；当温度；当温度T=30摄摄氏度氏度时时，根据根据计计算算结结果果当当Re（20002300）时时属湍流。属湍流。地下水运动方式
8、的判别地下水运动方式的判别雷诺数雷诺数第12页，讲稿共63张，创作于星期日 式中，式中，z为为位置水位置水头头；压压力水力水头头；为为流速水流速水头头，流速水，流速水头头近近似等于似等于0。水的渗流是由水水的渗流是由水头势头势能能驱动驱动，从水，从水头头高（高（势势能大）的地方流向水能大）的地方流向水头头低低（势势能小）的地方。能小）的地方。1 1、各种水头概念及水力坡降、各种水头概念及水力坡降 水水头头(water head)：单单位重量水体所具有的能量。位重量水体所具有的能量。渗流中一点的渗流中一点的总总水水头头h可用下式表示可用下式表示 几个重要的概念几个重要的概念上式可写为上式可写为第
9、13页，讲稿共63张，创作于星期日ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：渗流流过单位长度时的水头损失。渗流流过单位长度时的水头损失。水力坡降的物理意义第14页，讲稿共63张，创作于星期日注意：注意：土体中两点是否会土体中两点是否会发发生渗流，只取决于生渗流，只取决于总总水水头头差，差，若若hAhB时时，才会才会发发生水从生水从总总水水头头高的点向高的点向总总水水头头低的点流低的点流动动（但水并非一定向但水并非一定向低低处处流流）。）。2 2、管内水流动的两种形式、管内水流动的两种形
10、式（1）流）流动时动时相相邻邻的两的两质质点流点流线线永不相交的流永不相交的流动动称称为为层层流流。（2）若水流若水流动时动时，相，相邻邻的两个的两个质质点流点流线线相交，流相交，流动时动时将出将出现现漩漩涡涡，这这种流种流动动称称为为湍流湍流。土体中水的流速很小可看作土体中水的流速很小可看作为层为层流。流。第15页，讲稿共63张，创作于星期日2.4 2.4 达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围 达西（达西（H.Darcy），），18031858，法国水力工程，法国水力工程师师。1856年，达西年，达西发发表了著名的多孔介表了著名的多孔介质质地下水运地下水运动动或流或流动动的的报报告，告，
11、报报道了他所做的关于水在沙柱中道了他所做的关于水在沙柱中流流动动的的实验实验。达西。达西发现发现通通过过沙柱的流量与所用砂沙柱的流量与所用砂的透水性和的透水性和观测观测点的水点的水头头有关，有关，该该关系的数学表关系的数学表达式即达式即为为达西定律达西定律。可以可以说说，达西的，达西的发现发现首次从数量上揭示了多孔介首次从数量上揭示了多孔介质质中水中水流与多孔介流与多孔介质质渗透性之渗透性之间间的数量关系，使多孔介的数量关系，使多孔介质质中地下中地下水流水流计计算成算成为为可能。可能。现现代地下水流代地下水流计计算中，几乎所有的算中，几乎所有的经经典典计计算方法和算方法和计计算模型，都是直接或
12、算模型，都是直接或间间接地由达西定律推接地由达西定律推倒而得来。所以可以毫不夸倒而得来。所以可以毫不夸张张地地说说，达西是水文地，达西是水文地质质学的学的奠基人之一，他的奠基人之一，他的实验实验成果开成果开创创了一了一门门研究地下水流在多研究地下水流在多孔介孔介质质中运中运动动的科学的科学地下水地下水动动力学力学。第16页，讲稿共63张，创作于星期日一、达西渗透定律一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的著名
13、的达西达西(Darcy)渗透定律，渗透定律，渗透速度：渗透速度：或渗流量为：或渗流量为：第17页，讲稿共63张，创作于星期日式中：式中：v-水在土中的渗透速度，水在土中的渗透速度，cm/s。它不是地下水的实际流速，而是在单位时间（它不是地下水的实际流速，而是在单位时间（sec）内流）内流过单位土截面（过单位土截面（cm2）的水量（）的水量（cm3），是土体断面的平均渗透速度；，是土体断面的平均渗透速度；i-水力梯度，即土中两点的水头差水力梯度，即土中两点的水头差(如下图，为如下图，为H1-H2)与两点间的流线长度（与两点间的流线长度（L）之比；）之比；k-土的渗透系数，土的渗透系数，cm/s，
14、与土的渗透性质有关的待定系数。，与土的渗透性质有关的待定系数。第18页，讲稿共63张，创作于星期日必必须须指出，由式（指出，由式（2-1）求出的）求出的渗透速度渗透速度v 是一种是一种假想的平均流速假想的平均流速，因，因为为它假定水在土中的渗透是通它假定水在土中的渗透是通过过整个土体截面来整个土体截面来进进行的，而行的，而实际实际上，上，渗透水渗透水仅仅仅仅通通过过土体中的孔隙流土体中的孔隙流动动，实际实际平均流速平均流速v 要比假想的平均要比假想的平均流速大很多。流速大很多。它它们们之之间间的关系的关系为为：第19页，讲稿共63张，创作于星期日二、达西渗透定律的适用条件二、达西渗透定律的适用
15、条件 只有当渗流为只有当渗流为层流层流的时候才能适用达西渗透定律。的时候才能适用达西渗透定律。达西渗透定律的适用界限可以考虑为：达西渗透定律的适用界限可以考虑为：满足达西渗透定律的土的平均粒径满足达西渗透定律的土的平均粒径:对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。第20页，讲稿共63张，创作于星期日粘性土粘性土：对对于粘性很大的密于粘性很大的密实实粘土，有一起始坡降粘土，有一起始坡降i0，当当i i0 时时，水流，水流挤挤开开结结合
16、水膜的堵塞，渗合水膜的堵塞，渗流才能流才能发发生，如右下生，如右下图图所示。所示。voi0i粘土颗粒渗流结合水膜三、两种特殊情况三、两种特殊情况第21页，讲稿共63张，创作于星期日砾砾土（粗土（粗颗颗粒）粒）：只有在水力坡降很小的情况下才能适用；在只有在水力坡降很小的情况下才能适用；在较较大水力梯度下，水在大水力梯度下，水在土中的流土中的流动进动进入湍流状入湍流状态态，渗流速度与水力梯度呈非，渗流速度与水力梯度呈非线线性关系，此性关系，此时时达西定律不能适用，如达西定律不能适用，如图图（c）所示。）所示。第22页，讲稿共63张，创作于星期日 渗透系数渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的是直接衡量
17、土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。一个重要的力学性质指标。一、实验室内测定渗透系数一、实验室内测定渗透系数 可分为：可分为：常水头试验和变水头试验常水头试验和变水头试验（一）常水头法（一）常水头法 在整个试验过程中，水头保持不变。常水在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于头法适用于透水性强的无粘性土透水性强的无粘性土，土的渗，土的渗透系数：透系数：2.5 2.5 渗透系数的测定渗透系数的测定第23页，讲稿共63张，创作于星期日（二）变水头法（二）变水头法 在整个试验过程中，水头是随着时在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于间而变化的，适用于透水性弱的粘性透水性弱的粘性土
18、，土，土的渗透系数：土的渗透系数：或或第24页，讲稿共63张，创作于星期日 设细设细玻璃管的内截面玻璃管的内截面积为积为a，实验实验开始后任一开始后任一时时刻刻t的水的水位差位差为为h，经时经时段段dt，细细玻璃管中水位下落玻璃管中水位下落dh，则则在在时时段段dt内流内流经试样经试样的水量的水量式中式中负负号表示渗流量随号表示渗流量随h的减小而增加的减小而增加将上式两边积分将上式两边积分即可得到土的渗透系数即可得到土的渗透系数或或第25页，讲稿共63张，创作于星期日二、成层土的渗透系数二、成层土的渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和天然沉积土往往由渗透性不同
19、的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。据。第26页，讲稿共63张，创作于星期日 如上如上图图(a)所示与所示与层层面平行的渗流情况。通面平行的渗流情况。通过过整个土整个土层层的的总总渗流量渗流量qx应为应为各土各土层层渗流量渗流量之之总总和，即和，即根据达西定律，总渗流量又可表示为根据达西定律，总渗流量又可表示为式中，式中，kx为与层面平行的土层平均
20、渗透系数；为与层面平行的土层平均渗透系数；i为土层的平均水力梯度。为土层的平均水力梯度。任一土层的渗流量为任一土层的渗流量为将式（将式（b）、（）、（c）代入式（）代入式（a）得）得整个土层与层面平行的整个土层与层面平行的平均渗流系数平均渗流系数：（a）（b）（c）第27页，讲稿共63张，创作于星期日通通过过整个土整个土层层的的总总渗流量渗流量qy应为应为通通过过各土各土层层的渗流量，即的渗流量，即设设渗流通渗流通过过任一土任一土层层的水的水头损头损失失为为hi，水力梯度，水力梯度ii为为hi/Hi，则则通通过过整个土整个土层层的水的水头总损头总损失失h应为应为 ，总总的平均水力梯度的平均水力
21、梯度i应为应为h/H，由达西定律得，由达西定律得总总渗透量渗透量为为式中，式中，ky为为与与层层面垂直的土面垂直的土层层平均渗透系数；平均渗透系数；A为为渗流截面渗流截面积积。通过任一土层的渗流量为通过任一土层的渗流量为将（将（a）、（）、（b）代入（）代入（a），消去），消去A可得可得整个的水头总损失为整个的水头总损失为（a）（b）（c）第28页，讲稿共63张，创作于星期日整个土层与层面垂直的整个土层与层面垂直的平均渗流系数平均渗流系数为：为：第29页，讲稿共63张，创作于星期日2.6 2.6 二维渗流和流网的特征二维渗流和流网的特征一一一一、拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程
22、 在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可在稳定流的条件下，在均匀且各向同性介质中的渗流，其渗流场可以用拉普拉斯方程来描述。以用拉普拉斯方程来描述。以用拉普拉斯方程来描述。以用拉普拉斯方程来描述。式中：式中：式中：式中：h h为渗流的水头或水头差为渗流的水头或水头差为渗流的水头或水头差为渗流的水头或水头差 流线可以用流函数流线可以用流函数流线可以用流函数流线可以用流函数 来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数来描
23、述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数来描述，在均匀且各向同性介质中的渗流，流函数满足拉普拉斯方程满足拉普拉斯方程满足拉普拉斯方程满足拉普拉斯方程 等势线可以用势函数等势线可以用势函数等势线可以用势函数等势线可以用势函数第30页，讲稿共63张，创作于星期日 就渗流问题来说，一组就渗流问题来说，一组就渗流问题来说，一组就渗流问题来说，一组曲线称为曲线称为曲线称为曲线称为等势线等势线等势线等势线，在任一条，在任一条，在任一条，在任一条等势线上各点的总水头是相等等势线上各点的总水头是相等等势线上各点的总水头是相等等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为的；另一组曲线称为的；另一组曲线称为的；另
24、一组曲线称为流线流线流线流线，它们代表渗流的方向。等势它们代表渗流的方向。等势它们代表渗流的方向。等势它们代表渗流的方向。等势线和流线垂直交织在一起形线和流线垂直交织在一起形线和流线垂直交织在一起形线和流线垂直交织在一起形成的网格叫成的网格叫成的网格叫成的网格叫流网流网流网流网。二二二二、流网及其特征流网及其特征流网及其特征流网及其特征第31页，讲稿共63张，创作于星期日 对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：流线与等势线彼此正交；流线与等势线彼此正交；流线与等势线
25、彼此正交；流线与等势线彼此正交；每个网格的长宽比为常数；每个网格的长宽比为常数；每个网格的长宽比为常数；每个网格的长宽比为常数；相邻等势线间的水头损失相等；相邻等势线间的水头损失相等；相邻等势线间的水头损失相等；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。各流槽的渗流量相等。各流槽的渗流量相等。各流槽的渗流量相等。第32页，讲稿共63张，创作于星期日2.7 2.7 渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治渗流力、潜蚀和流沙的危害及防治一、渗流压力的概念一、渗流压力的概念 在在饱饱和和土土体体中中水水的的渗渗流流分分析析中中，把把土土颗颗粒粒骨骨架架视视为为不不可可变变形形的的刚刚体体，发发生生渗渗流
26、流时时，受受到到土土粒粒的的阻阻力力，引引起起水水头头损损失失，同同时时水水也也对对土土颗颗粒粒施施加加渗渗流流作作用用力力，单单位位体体积积土土骨骨架架所所受受到到的的渗渗流流作作用用力力称称为为渗渗流流压压力力(seepage force or seepage pressure)或或动动水水压力，用压力，用Gd表示。表示。第33页，讲稿共63张，创作于星期日渗流压力的计算渗流压力的计算如如图图所示，所示，A1A2水柱上作用着水柱上作用着4个力，即个力，即A1A2水柱的自重在流水柱的自重在流线线方向上的分力：方向上的分力：土的颗粒骨架对渗流水阻力：土的颗粒骨架对渗流水阻力：根据力的平衡，在根
27、据力的平衡，在A1A2水柱上各力的平衡关系式水柱上各力的平衡关系式为为将将 代入上式代入上式第34页，讲稿共63张，创作于星期日 渗流渗流压压力力是一种体是一种体积积力，力，单单位是位是kN/m3。渗流。渗流压压力的大小和水力梯度力的大小和水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。成正比，方向与渗流方向一致。第35页，讲稿共63张，创作于星期日基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。形成条件形成条件 防治措施防治措施 二、渗透破坏类型二、渗透破坏类型第36页，讲稿共63张，创作于星期日在渗流情况下，地下水在渗流
28、情况下，地下水对对岩土的岩土的矿矿物、化学成分物、化学成分产产生溶生溶蚀蚀、滤滤液后液后这这些成分被些成分被带带走以及水流将走以及水流将细细小小颗颗粒从粒从较较大大颗颗粒的孔隙中直接粒的孔隙中直接带带走，走，这这种种作用叫作用叫潜潜蚀蚀。潜潜蚀蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处处表表现为现为管状涌水并管状涌水并带带出出细细小小颗颗粒，所以潜粒，所以潜蚀蚀也称也称管涌管涌。原因：原因：内因内因 有足有足够够多的粗多的粗颗颗粒形成大于粒形成大于细细粒直径的孔隙粒直径的孔隙外因外因渗透力足渗透力足够够大大1 1、潜蚀、潜蚀第37页，讲稿共63张，创作于星期日第3
29、8页，讲稿共63张，创作于星期日2 2、流砂或流土、流砂或流土 在在自自下下而而上上的的渗渗流流发发生生时时，渗渗流流压压力力的的大大小小超超过过土土重重度度，土土颗颗粒粒完完全全失失重重，土土体体的的表表面面隆隆起起、浮浮动动或或某某颗颗粒粒群群悬悬浮浮、移移动动的的现现象象称称为为流流土土(soil boiling)。流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称为流沙。所以常称为流沙。第39页，讲稿共63张，创作于星期日第40页，讲稿共63张，创作于星期日地震引起的砂土液化地震引起的砂土液化第41页，讲稿共63张，创作于星期日发生流沙的条件发生
30、流沙的条件 当当竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）时，土体就处于流时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。梯度时，就会出现流砂现象。以濒临渗透破坏时的水力梯度称为以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。临界水力梯度。GdGd浮重度浮重度渗流压力渗流压力第42页，讲稿共63张，创作于星期日【例例2-1】如如图图装置，土装置，土样样厚度厚度L=25cm，水，水头头差差h=20cm。(1)计计算渗流算渗流压压力的大小。力的大小。(2)
31、若砂土的土粒相若砂土的土粒相对对密度密度2.68,e=0.72,是否会出是否会出现现流土流土现现象？象？(3)若要出若要出现现流土，流土，计计算最小的水算最小的水头头差。差。第43页，讲稿共63张，创作于星期日解：（解：（1）渗流）渗流压压力的大小力的大小为为：（2）计计算土算土样样的浮重度的浮重度不会出现流土不会出现流土（3）当）当i=icr时刚时刚好好发发生流土生流土第44页，讲稿共63张，创作于星期日2.8 2.8 渗流情况下的有效应力和孔隙水压力渗流情况下的有效应力和孔隙水压力一一一一、饱和土体中的孔隙水压（应）力和有效应力饱和土体中的孔隙水压（应）力和有效应力饱和土体中的孔隙水压（应
32、）力和有效应力饱和土体中的孔隙水压（应）力和有效应力 把通过粒间的接触面传递的应力称为把通过粒间的接触面传递的应力称为把通过粒间的接触面传递的应力称为把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力有效应力有效应力有效应力。我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法我们常把研究平面内所有粒间接触面上的接触力的法向分力之总和向分力之总和向分力之总和向分力之总和F FNN,除以所研究平面的总面积除以所研究平面的总面积除以所研究平面的总面积除以所研究平面的总面积AA所得到所得到所得到所得到的平均应力来定义有效应力
33、。的平均应力来定义有效应力。的平均应力来定义有效应力。的平均应力来定义有效应力。FSFSFNFN 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为孔隙水压孔隙水压孔隙水压孔隙水压力力力力，常以，常以，常以，常以u u表示。表示。表示。表示。其值等于该点的测压管水柱高度其值等于该点的测压管水柱高度其值等于该点的测压管水柱高度其值等于该点的测压管水柱高度h hww，与水的，与水的，与水的，与水的重度重度重度重度 的乘积。的乘积。的乘积。的乘积。第45页，讲稿共63张，创作
34、于星期日A：Aw：As：土单元的截面积土单元的截面积颗粒接触点的截面积颗粒接触点的截面积孔隙水的截面积孔隙水的截面积aa把孔隙水压力和有效应力之和称为把孔隙水压力和有效应力之和称为把孔隙水压力和有效应力之和称为把孔隙水压力和有效应力之和称为总应力总应力总应力总应力。式中：式中：式中：式中：aa为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。为研究平面内粒间接触面积所占的比值。可忽略不计。著名的有效应力原理第46页，讲稿共63张，创作于星期日二二二二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力在静水条
35、件下水平面上的孔隙水应力和有效应力在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力h2h1粘土层粘土层satsat水水 w w第47页，讲稿共63张，创作于星期日地下水位下降引起地下水位下降引起增大的部分增大的部分h h1 1h h2 2=-u-uu=u=w wh h2 2u=u=w wh h2 2地下水位下降会引地下水位下降会引起起增大，土会产增大，土会产生压缩，这是城市抽生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一水引起地面沉降的一个主要原因。个主要原因。第48页，讲稿共63张，创作于星期日（一）渗流方向由上向下（一）渗流方向由上向下（一）渗流方向由上向下（一）
36、渗流方向由上向下hwhh2h1砂层，排水砂层，排水粘土层粘土层satsat水水 w w三三三三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力第49页，讲稿共63张，创作于星期日（二）渗流方向由下向上（二）渗流方向由下向上（二）渗流方向由下向上（二）渗流方向由下向上hhwh2h1砂层，承压水砂层，承压水粘土层粘土层satsat水水 w w第50页，讲稿共63张，创作于星期日hhwh2h1砂层，承压水砂层，承压水粘土层粘土层satsat水水 w w第51页，讲
37、稿共63张，创作于星期日静水条件和渗流情况下的应力情况比较静水条件和渗流情况下的应力情况比较静水条件和渗流情况下的应力情况比较静水条件和渗流情况下的应力情况比较第52页，讲稿共63张，创作于星期日 流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水压力即可由该点的测压管中的水柱高度度度度(或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重
38、度得到。当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水压力是当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水压力是当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水压力是当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水压力是由两部分组成的：由两部分组成的：由两部分组成的：由两部分组成的：其一其一其一其一是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这一部分孔隙水是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这一部分孔隙水是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这一部分孔隙水是由下游静水位产生的孔隙水压力，通常将这一部分孔隙水压力称为静孔隙水压力；压力称为静
39、孔隙水压力；压力称为静孔隙水压力；压力称为静孔隙水压力；其二其二其二其二是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水压力水柱所产生的孔隙水压力水柱所产生的孔隙水压力水柱所产生的孔隙水压力,通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。通常将这一部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。四四四四、根据流网确定孔隙水压力根据流网确定孔隙水压力根据流网确定孔隙水压力根
40、据流网确定孔隙水压力 注意注意注意注意：土体的超静孔隙水压力：土体的超静孔隙水压力：土体的超静孔隙水压力：土体的超静孔隙水压力除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。均质土坝坝体内的流网均质土坝坝体内的流网第53页，讲稿共63张，创作于星期日【例例例例2-22-2】如如如如图图图图所示，若地基上所示，若地基上所示，若地基上所示，若地基上的土粒相的土粒
41、相的土粒相的土粒相对对对对密度密度密度密度d dss为为为为2.682.68，孔隙，孔隙，孔隙，孔隙率率率率n n为为为为38.038.0，试试试试求求求求：（1 1）a a点的孔隙水点的孔隙水点的孔隙水点的孔隙水应应应应力和有效力和有效力和有效力和有效应应应应力？力？力？力？（2 2）渗流逸出）渗流逸出）渗流逸出）渗流逸出处处处处1-21-2是否会是否会是否会是否会发发发发生生生生流土？流土？流土？流土？（3 3）图图图图中网格中网格中网格中网格9 9，1010，1111，1212上上上上的渗流力是多少？的渗流力是多少？的渗流力是多少？的渗流力是多少？第54页，讲稿共63张，创作于星期日 a
42、 a点在第二根等点在第二根等点在第二根等点在第二根等势线势线势线势线上，因此，上，因此，上，因此，上，因此，该该该该点的点的点的点的测测测测压压压压管水位管水位管水位管水位应应应应比上游水位低比上游水位低比上游水位低比上游水位低h=0.8mh=0.8m，从，从，从，从图图图图中直接量得下游静水位至中直接量得下游静水位至中直接量得下游静水位至中直接量得下游静水位至a a点的高差点的高差点的高差点的高差 h haa=10m=10m，而超，而超，而超，而超过过过过下游静水位的高度下游静水位的高度下游静水位的高度下游静水位的高度应为应为应为应为 h haa=h-h=h-h8-0.88-0.87.2 m
43、7.2 m。则则则则a a点点点点测压测压测压测压管中的水位高度管中的水位高度管中的水位高度管中的水位高度 hhww hhaa+h+haa=10+7.2=17.2 m=10+7.2=17.2 m。所以，所以，所以，所以，a a点的孔隙水点的孔隙水点的孔隙水点的孔隙水应应应应力力力力为为为为 u=u=wwhhww=9.817.2=168.56 kPa=9.817.2=168.56 kPa（1 1）由）由）由）由图图图图中可知，上下游的水位差中可知，上下游的水位差中可知，上下游的水位差中可知，上下游的水位差h=8mh=8m，等，等，等，等势线势线势线势线的的的的间间间间隔数隔数隔数隔数NN1010
44、，则则则则相相相相邻邻邻邻两两两两等等等等势线间势线间势线间势线间的水的水的水的水头损头损头损头损失失失失h=h/10=8/10=0.8mh=h/10=8/10=0.8m。第55页，讲稿共63张，创作于星期日 其中由下游静水位引起的静孔隙水其中由下游静水位引起的静孔隙水其中由下游静水位引起的静孔隙水其中由下游静水位引起的静孔隙水应应应应力力力力为为为为 u=u=w w hhaa=9.810=98 kPa=9.810=98 kPa，而由渗流引起，而由渗流引起，而由渗流引起，而由渗流引起的超静孔隙水的超静孔隙水的超静孔隙水的超静孔隙水应应应应力力力力为为为为u u=w w hhaa=9.8=9.8
45、 7.2=70.56 kPa7.2=70.56 kPa，a a点的点的点的点的总应总应总应总应力力力力为为为为：w w h h11+sat sat(h(haa-h-h22)。第56页，讲稿共63张，创作于星期日 其中土的其中土的其中土的其中土的饱饱饱饱和重度和重度和重度和重度 satsatsatsat9.8=9.8=ww1+(d1+(dss-1)(1-n)9.8-1)(1-n)9.8 1+(2.68-1)(1-0.38)9.81+(2.68-1)(1-0.38)9.820 kN/m20 kN/m33 代入上式得代入上式得代入上式得代入上式得总应总应总应总应力力力力为为为为 9.8 10+20(
46、10-2)9.8 10+20(10-2)=98+160=258 kPa =98+160=258 kPa 于是，根据有效于是，根据有效于是，根据有效于是，根据有效应应应应力原理，力原理，力原理，力原理，a a点的有效点的有效点的有效点的有效应应应应力力力力为为为为 -u=258-168.56=89.44 kPa-u=258-168.56=89.44 kPa第57页，讲稿共63张，创作于星期日 从从从从图图图图中直接量得网格中直接量得网格中直接量得网格中直接量得网格11，22，33，44的平均渗的平均渗的平均渗的平均渗径径径径长长长长度度度度L=8 mL=8 m，而任一网格上的水，而任一网格上的水
47、，而任一网格上的水，而任一网格上的水头损头损头损头损失均失均失均失均为为为为h=0.8 mh=0.8 m，则该则该则该则该网格的平均水力梯度网格的平均水力梯度网格的平均水力梯度网格的平均水力梯度为为为为 i=h/Li=h/L0.8/8=0.10.8/8=0.1 该该该该梯度即近似代表地面梯度即近似代表地面梯度即近似代表地面梯度即近似代表地面1-21-2处处处处的逸出梯度的逸出梯度的逸出梯度的逸出梯度iiee。流土的流土的流土的流土的临临临临界水力梯度界水力梯度界水力梯度界水力梯度为为为为iicrcr=(d=(dss-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04-1)(1-n)=(
48、2.68-1)(1-0.38)=1.04iiee 故渗流逸出故渗流逸出故渗流逸出故渗流逸出处处处处1-21-2不会不会不会不会发发发发生流土生流土生流土生流土现现现现象。象。象。象。（22）渗流逸出）渗流逸出）渗流逸出）渗流逸出处处处处1-21-2是否会是否会是否会是否会发发发发生流土？生流土？生流土？生流土？第58页，讲稿共63张，创作于星期日 图图图图中直接量得网格中直接量得网格中直接量得网格中直接量得网格99，1010，1111，1212的平均的平均的平均的平均渗径渗径渗径渗径长长长长度度度度L=5.0 mL=5.0 m，两流，两流，两流，两流线间线间线间线间的平均距离的平均距离的平均距
49、离的平均距离b=4.4 mb=4.4 m，网格的水，网格的水，网格的水，网格的水头损头损头损头损失失失失h=0.8 mh=0.8 m，所以，所以，所以，所以作用在作用在作用在作用在该该该该网格上的渗流力网格上的渗流力网格上的渗流力网格上的渗流力为为为为GGdd w w(h/L)b L(h/L)b Lw w b hb h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m9.80.8 4.4=34.5 kN/m（3 3）图图图图中网格中网格中网格中网格9 9，1010，1111，1212上的渗流力是多少？上的渗流力是多少？上的渗流力是多少？上的渗流力是多少？第59页，讲稿共63张，创作于星期日【例例2-3
50、】有一粘土有一粘土层层位于两砂位于两砂层层之之间间，地，地下水位下水位线线位于地表以下位于地表以下1.5m处处，其砂土，其砂土(水面水面以上以上)的重度的重度=17.6 kN/m3，饱饱和重度和重度sat=19.6kN/m3；粘土；粘土层层的的饱饱和重度和重度sat=20.6kN/m3，如，如图图所示，若下所示，若下层层砂中有承砂中有承压压水，其水，其测压测压管水位高出地面管水位高出地面3m，计计算：算：(1)粘土粘土层层内的内的总应总应力、孔隙水力、孔隙水压压力及有效力及有效应应力力变变化，并化，并绘绘制其沿深度的分布制其沿深度的分布图图（假定承（假定承压压水水头头全部全部损损失在粘土失在粘