《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 土的滲透性與滲流》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 土的滲透性與滲流（43頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-1 土 是 多 孔 介 質(zhì) 水 頭 差滲 透 的 工 程 影 響 ： 1. 水 能 損 失 ， 影 響 工 程 效 益 。 2. 引 起 土 體 內(nèi) 部 應(yīng) 力 的 變 化 。3. 土 體 的 強 度 ， 工 程 性 質(zhì) 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-2 當(dāng) 飽 和 土 中 的 兩 點 存 在 能 量 差 時 ， 水 就 在 土 的 孔 隙 中。 水 在 土 體 中 流 動 的 現(xiàn) 象 。 土 具 有 被 水 等 液 體 透 過 的 性 質(zhì) 。滲 透 研 究 的 內(nèi) 容 ： 1. 滲 流 量 。 2. 滲 透 變 形 (滲 透 破 壞 )

2、3. 滲 流 控 制 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-3土的毛細(xì)水性質(zhì)： 毛 細(xì) 水 是 受 到 水 與 空 氣 交 界 面 處 表 面 張 力 作 用 的 自由 水 。 毛 管 現(xiàn) 象 是 毛 細(xì) 管 壁 對 水 的 吸 力 和 水 的 表 面 張 力共 同 作 用 的 結(jié) 果 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-4 毛 細(xì) 水 的 產(chǎn) 生 毛 細(xì) 水 是 受 毛 細(xì) 管 作 用 控 制 的 水 ， 可 以 把 土 的 孔 隙 看 作 是 連 續(xù) 變 截面 的 毛 細(xì) 管 ， 毛 細(xì) 管 放 在 水 中 ， 管 中 的 水 位 會 上 升 到 自 由 水 位 以 上 的

3、一定 高 度 ， 毛 管 直 徑 愈 細(xì) 上 升 高 度 愈 高 。 在 常 溫 下 毛 細(xì) 上 升 高 度 hc與 毛 管 半徑 r有 以 下 關(guān) 系 ： rhc 15當(dāng)r=0.1m時，h c=150mm，這與砂土(粒徑為0.5l mm)中的情況大致相當(dāng)。粘土的孔隙直徑約為0.1m，按上式計算毛細(xì)上升高度將達150m 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-5 土層毛細(xì)水帶的類型： 1.正 常 毛 細(xì) 水 帶 （ 毛 細(xì) 飽 和 帶 ） 2.毛 細(xì) 網(wǎng) 狀 水 帶 3.毛 細(xì) 懸 掛 水 帶 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-6 土的凍脹（形成原因）1.土的因素 細(xì)粒土中粉砂，粉土

4、，粉質(zhì)粘土 粘土因為毛細(xì)空隙小，對水分遷移阻力大，反倒不易產(chǎn)生凍脹2.水的因素3.溫度的因素 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-7按流線形態(tài)： 層流 湍流（紊流）地下水運動方式的判別雷諾數(shù) 土中地下水的運動方式：按水流與時間變化特征： 穩(wěn)定流 非穩(wěn)定流按空間運動質(zhì)點分布特征： 一維流 二維流 三維流 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-8水 頭 ： 單 位 重 量 水 體 所 具 有 的 能 量 。 按 照 伯 努 里 方 程 ， 液 流 中 一 點 的 總 水 頭 由 三 部 分 組 成 ： 1. 位 置 水 頭 z 2. 壓 力 水 頭 u/w 3. 流 速 水 頭 v2/2

5、g 達 西 定律一 、 土 的 滲 透 定 律 達 西 定 律 （ H.Darcy,1856） 1.滲 流 中 的 總 水 頭 與 水 力 坡 降 液 體 流 動 必 須 滿 足 的 條 件 ： 連 續(xù) 原 理 能 量 守 恒 原 理 (伯 努 里 D.Bernoulli方 程 ) 為 了 研 究 的 方 便 ， 常 用 水 頭 的 概 念 來 研 究 水 體 流 動 中 的 位 能 和 動 能 。h=z+u/ w+v2/2g 由 于 土 中 滲 流 阻 力 大 ， 流 速 v 在 一 般 情 況 下 都 很 小 ， 可 以 忽 略 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-9 達 西 定

6、律 h=z + u/ w 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-10 伯 努 里 方 程 用 于 土 中 滲 流 時 有 兩 點 需 要 指 出 ： (1) 飽 和 土 體 中 兩 點 間 是 否 出 現(xiàn) 滲 流 ， 完 全 由 總 水 頭 差 決 定 。 只 有 當(dāng) 兩 點 間的 總 水 頭 差 時 ， 才 會 發(fā) 生 水 從 總 水 頭 高 的 點 向 總 水 頭 低 的 點 流 動 。 (2) 由 于 土 中 滲 流 阻 力 大 ， 故 流 速 v在 一 般 情 況 下 都 很 小 ， 因 而 形 成 的 流 速 水頭 也 很 小 ， 為 簡 便 起 見 可 以 忽 略 。 由 于

7、滲 流 過 程 中 存 在 能 量 損 失 ， 測 管 水 頭 線 沿 滲 流 方 向 下 降 。 兩 點 間 的水 頭 損 失 ， 可 用 一 無 量 綱 的 形 式 來 表 示 ， 即 i=h/L i 稱 為 水 力 坡 降 ， L為 兩 點 間 的 滲 流 路 徑 ， 水 力 坡 降 的 物 理 意 義 :單 位 滲 流 長 度 上 的 水 頭 損 失 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-11 2 達 西 定 律 達 西 根 據(jù) 對 不 同 尺 寸 的 圓 筒 和 不同 類 型 及 長 度 的 土 樣 所 進 行 的 試 驗 發(fā)現(xiàn) ， 滲 出 量 Q與 圓 筒 斷 面 積 A和

8、 水 力坡 降 i成 正 比 ， 且 與 土 的 透 水 性 質(zhì) 有關(guān) 。 即 LhAQ kAiQ kiAQv 寫成等式為：上 式 稱 為 達 西 定 律 。 式 中 ， v 斷 面 ， 單 位 mm/s或 m/day； k 反 映 土 的 透 水 性 能 的 比 例 系 數(shù) ， 稱 為 。 它 相 當(dāng) 于 水 力 坡 降 i 1時 的 滲 透 速 度 ， 故 其 量 綱 與 流 速 相 同 ， mm/s或 m/day。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-12 并 不 是 土 孔 隙 中 水 的 。 因 為 公 式 推 導(dǎo) 中 采 用的 是 土 樣 的 整 個 斷 面 積 ， 其 中

9、包 括 了 土 粒 骨 架 所 占 的 部 分 面 積 在 內(nèi) 。 土 粒 本 身 是 不 能 透 水 的 ， 故 真 實 的 過 水 面 積 應(yīng) 小 于 ， 從 而 實 際平 均 流 速 認(rèn) 應(yīng) 大 于 。 一 般 稱 為 假 想 滲 流 速 度 v與 vs的 關(guān) 系 可 通 過 水 流 連續(xù) 原 理 建 立 : Vs= v/n 為 了 研 究 的 方 便 ， 滲 流 計 算 中 均 采 用 假 想 的 平 均 流 速 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-13 達 西 定 律 的 適 用 范 圍 達 西 定 律 是 描 述 層 流 狀 態(tài) 下 滲 透 流 速 與 水 頭 損 失 關(guān)

10、 系 的 規(guī) 律 ，即 與 成 線 性 關(guān) 系 只 。 在 土 木工 程 中 ， 絕 大 多 數(shù) 滲 流 ， 無 論 是 發(fā) 生 砂 土 中 或 一 般 的 粘 性 土 中 ，均 介 于 層 流 范 圍 ， 故 達 西 定 律 均 可 適 用 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-14 3 滲 透 系 數(shù) 的 測 定 和 影 響 因 素 是 一 個 代 表 土 的 滲 透 性 強 弱 的 定 量 指 標(biāo) ， 也 是 滲 流 計 算時 必 須 用 到 的 一 個 基 本 參 數(shù) 。 不 同 種 類 的 土 ， k 值 差 別 很 大 。 因 此 ， 準(zhǔn) 確地 測 定 土 的 滲 透 系

11、數(shù) 是 一 項 十 分 重 要 的 工 作 。 (1)滲 透 系 數(shù) 的 測 定 方 法 滲 透 系 數(shù) 的 測 定 方 法 主 要 分 實 驗 室 內(nèi) 測 定 和 野 外 現(xiàn) 場 測 定 兩 大 類 。 實 驗 室 測 定 法 目 前 在 實 驗 室 中 測 定 滲 透 系 數(shù) k的 試 驗 方 法 很 多 ， 但 從 試 驗 原 理 上 大體 可 分 為 常 水 頭 法 和 變 水 頭 法 兩 種 。 現(xiàn) 場 測 定 法 現(xiàn) 場 研 究 場 地 的 滲 透 性 ， 進 行 滲 透 系 數(shù) k值 測 定 時 ， 常 用 現(xiàn) 場 并 孔 抽 水 試 驗 或 井 孔 注 水 試 驗 的 方 法

12、。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-15 適 用 于 測 定 透 水 性 大的 砂 性 土 的 滲 透 系 數(shù) 。 適 用 于 測 定 滲 透 性 很小 的 粘 性 土 的 滲 透 系 數(shù) 。 由 于 粘 性 土 的 滲 透 水量 很 少 ， 用 常 水 頭 試 驗 不易 準(zhǔn) 確 測 定 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-16 1.土 的 性 質(zhì) 對 k值 的 影 響 (1)粒 徑 大 小 與 級 配 ； (2)孔 隙 比 ； (3)礦 物 成 分 ； (4)土 的 結(jié) 構(gòu) ； (5)飽 和 度 。 尤 以 前 兩 項 ， 即 粒 徑 大 小 和 孔 隙 比 對 k 的

13、影 響 最 大 。 2.滲 透 水 的 性 質(zhì) 對 k值 的 影 響 水 的 性 質(zhì) 對 滲 透 系 數(shù) k 值 的 影 響 主 要 是 由 于 粘 滯 度 不 同 所 引 起 。溫 度 高 時 ， 水 的 粘 滯 性 降 低 ， k值 變 大 ： 反 之 k值 變 小 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-17 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-18 大 多 數(shù) 天 然 沉 積 土 層 是 由 滲 透 系 數(shù) 不 同 的 層 土 所 組 成 ， 宏 觀 上具 有 非 均 質(zhì) 性 。等 效 方 法 ： # 等 效 厚 度 等 于 各 土 層 之 和 。 # 等 效 滲 透 系

14、數(shù) 的 大 小 與 水 流 的 方 向 有 關(guān) 。層 狀 土 層 單 一 土 層 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-19 水 平 滲 流 的 特 點 ： (1) 各 層 土 中 的 水 力 坡 降 i (h/L)與 等 效 土 層 的 平 均 水 力 坡 降 i相 同 。 (2) 垂 直 x-z面 取 單 位 寬 度 ， 通 過 等 效 土 層 H 的 總 滲 流 量 等 于 各 層 土 滲 流 量 之 和 ， 即 ni ixxxxx qqqqq 1321 將 達 西 定 律 代 入 上 式 可 得 沿 水 平 方 向 的 等 效 滲 透 系 數(shù) k x： ini ix HkHk 11

15、 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-20 豎 直 滲 流 的 特 點 ： (1)根 據(jù) 水 流 連 續(xù) 原 理 ， 流 經(jīng) 各 土 層 的 流 速 與 流 經(jīng) 等 效 土 層 的 流 速 相 同 ， 即 (2)流 經(jīng) 等 效 土 層 H的 總 水 頭 損 失 h等 于 各 層 上 的 水 頭 損 失 之 和 ， 即 將達西定律代入上式可得沿豎直方向的等效 滲透系數(shù)kz： vvvv 321 ni ihhhhh 1321 ni iiz khHk 1 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-21 (一 )滲 透 力 實 驗 驗 證 當(dāng) h1 h2時 ， 土 中 水 處 于 靜 止 狀 態(tài)

16、， 無 滲 流 發(fā) 生 ， 貯 水 器 向 上 提 升 ， 使 h1 h2， 由 于 存 在 水 頭 差 土 中 產(chǎn) 生 向 上 的 滲 流 。 水頭 差 h是 土 體 中 滲 流 所 損 失 的 能 量 。 能 量 損 失 說 明 土 粒 對 水 流 給 以 阻 力 ； 反之 滲 流 必 然 對 每 個 土 顆 粒 有 推 動 、 摩 擦 和 拖 曳 的 作 用 力 ， 稱 之 為 滲 透 力 ， 可定 義 為 每 單 位 土 體 內(nèi) 土 顆 粒 所 受 的 滲 流 作 用 力 ， 用 j表 示 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-22 二 維 滲 流 及 流 網(wǎng) 工 程 上 遇

17、到 的 滲 流 問 題 ， 常 常 屬 于 邊 界 條 件 復(fù) 雜 一 些 的 二 維 或 三 維 滲流 問 題 。 例 如 閘 壩 下 透 水 地 基 的 滲 流 ， 以 及 土 壩 壩 身 的 滲 流 等 ， 其 流 線 都是 彎 曲 的 ， 不 能 再 視 為 一 維 滲 流 。 這 時 ， 達 西 定 律 也 需 用 微 分 方 程 形 式 來表 達 。 為 了 求 解 和 評 價 滲 流 在 地 基 或 壩 體 中 是 否 造 成 有 害 的 影 響 ， 需 要 知 道整 個 滲 流 場 中 各 處 的 測 管 水 頭 、 滲 透 坡 降 和 滲 流 速 度 。 通 常 按 平 面

18、滲 流 問題 處 理 。 混凝土壩下滲流通過土壩的滲流 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-23 02 222 yhkxhk yx 對 于 各 向 同 性 的 均 質(zhì) 土 ， kx ky， 則 上 式 可 表 示 為 ：02222 yhxh 即 為 著 名 的 拉 普 拉 斯 (Laplace)方 程 。 該 方 程 描 述 了 滲 流 場 內(nèi) 部的 測 管 水 頭 h的 分 布 ， 是 平 面 穩(wěn) 定 滲 流 的 基 本 方 程 式 。 通 過 求 解 一定 邊 界 條 件 下 的 拉 普 拉 斯 方 程 ， 即 可 求 得 該 條 件 下 的 滲 流 場 。 平 面 滲 流 的 基

19、本 方 程 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-24 大 致 可 分 為 下 述 四 種 類 型 ： 即 用 繪 制 流 網(wǎng) 的 方 法 求 解 拉 普 拉 斯 方 程 的 。 該法 具 有 簡 便 、 迅 速 的 優(yōu) 點 ， 并 能 用 于 建 筑 物 邊 界 輪 廓 較 復(fù) 雜 的 情 況 。只 要 滿 足 繪 制 流 網(wǎng) 的 基 本 要 求 ， 精 度 就 可 以 得 到 保 證 ， 因 而 該 法 在工 程 上 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 拉 普 拉 斯 方 程 式 的 求 解 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-25 流 網(wǎng) 的 繪 制 及 應(yīng) 用繪 制 流 網(wǎng) 的 基

20、本 要 求 : (1) 流 線 與 等 勢 線 必 須 正 交 。 (2) 流 線 與 等 勢 線 構(gòu) 成 的 各 個 網(wǎng) 格 的 長 寬 比 應(yīng) 為 常 數(shù) ， 即 l/s C。 當(dāng) 取 l=s 時 ， 網(wǎng) 格 應(yīng) 呈 曲 線 正 方 形 ， 這 是 繪 制 流 網(wǎng) 時 最 方 便 和 最 常 見 的 種 流 網(wǎng) 圖 形 。 (3)必 須 滿 足 流 場 的 邊 界 條 件 ， 以 保 證 解 的 唯 一 性 。流線等勢線 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-26 現(xiàn) 以 透 水 地 基 上 混 凝 土 壩 下 的 流 網(wǎng) 為 例 ， 說 明 繪 制 流 網(wǎng) 的 步 驟 。 (1)首

21、先 根 據(jù) 滲 流 場 的 邊 界 條 件 ， 確 定 邊 界 流 線 和 邊 界 等 勢 線 。 (2)根 據(jù) 繪 制 流 網(wǎng) 的 另 外 兩 個 要 求 ， 初 步 繪 制 流 網(wǎng) 。 然 后 再 自 中 央向 兩 邊 畫 等 勢 線 ， 每 根 等 勢 線 要 與 流 線 正 交 ， 并 彎 曲 成 曲 線 正 方 形 。 (3)一 般 初 繪 的 流 網(wǎng) 總 不 能 完 全 符 合 要 求 ， 必 須 反 復(fù) 修 改 ， 直 至 大部 分 網(wǎng) 格 滿 足 曲 線 正 方 形 為 止 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-27 流 網(wǎng) 繪 出 后 ， 即 可 求 得 滲 流 場

22、中 各 點 的 測 管 水 頭 、 水 力 被 降 、 滲 透流 速 和 滲 流 量 。 1.總 水 頭 根 據(jù) 流 網(wǎng) 特 征 可 知 ， 任 意 兩 相 鄰 等 勢 線 間 的 勢 能 差 相 等 ， 即 水 頭 損失 相 等 ， 相 鄰 兩 條 等 勢 線 之 間 的 水 頭 損 失 h 。 即 式 中 :H上 、 下 游 水 位 差 ， 也 就 是 水 從 上 游 滲 到 下 游 的 總 水 頭 損 失 ； N 等 勢 線 間 隔 數(shù) （ N n 1)； n 等 勢 線 數(shù) 。 1 n HNHh 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-28 2.孔 隙 水 壓 力 滲 流 場 中 各

23、 點 的 孔 隙 水 壓 力 ， 等 于 該 點 測 壓 管 中 的 水 柱 高 度 hua乘 以 水 的 容重 w。 故 a點 的 孔 隙 水 壓 力 為 ua hua w。 應(yīng) 當(dāng) 注 意 ， 圖 中 所 示 a、 b兩 點 位 于 同一 根 等 勢 線 上 ， 其 測 管 水 頭 雖 然 相 同 ， 即 hua hub， 但 其 孔 隙 水 壓 力 卻 不 同 ua ub 。 3.水 力 坡 降 流 網(wǎng) 中 任 意 網(wǎng) 格 的 平 均 水 力 坡 降 i h/l, l為 該 網(wǎng) 格 處 流 線 的 平 均 長 度 。由 此 可 知 ， 流 網(wǎng) 中 網(wǎng) 格 越 密 處 ， 其 水 力 坡

24、降 越 大 。 故 圖 中 ， 下 游 壩 趾 水 流 滲 出地 面 處 (圖 中 CD段 )的 水 力 坡 降 最 大 。 該 處 的 坡 降 稱 為 逸 出 坡 降 ， 常 是 地 基 滲 透穩(wěn) 定 的 控 制 坡 降 。 4.滲 透 流 速 各 點 的 水 力 坡 降 已 知 后 ， 滲 透 流 速 的 大 小 可 根 據(jù) 達 西 定 律 求 出 ， 即 v ki， 其 方 向 為 流 線 的 切 線 方 向 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-29 5.滲 透 流 量 流 網(wǎng) 中 任 意 兩 相 鄰 流 線 間 的 單 寬 流 量 q是 相 等 的 ， 因 為 ： 當(dāng) 取 s

25、 l時 ， q k h 通 過 壩 底 的 總 單 寬 流 量 q M q Mk h (M流 網(wǎng) 中 的 流 槽 數(shù) ） 通 過 壩 底 的 總 滲 流 量 Q qL ( L為 壩 基 長 度 )slhkskivAq 1 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-30 取 土 水 為 整 體 作 為 隔 離 體 ， 則 作 用 在 土 柱 上 的 力 ： (1) 土 水 總 重 量 W satL； (2) 土 柱 兩 端 的 邊 界 水 壓 力 whw和 w h1； (3) 土 柱 下 部 濾 網(wǎng) 的 支 承 反 力 R。 在 此 種 條 件 下 ， 土 粒 與 水 之 間 的 作 用 力 為

26、 內(nèi) 力 ， 在 土 柱 的 受 力 分 析 中不 出 現(xiàn) 。方法一 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-31 把 土 骨 架 和 水 分 開 來 取 隔 離 體 。 作 用 在 土 骨 架 隔 離 體 上 的 力 ： (1) 土 粒 有 效 重 量 W L； (2) 總 滲 透 力 J jL,方 向 豎 直 向 上 ； (3) 下 部 支 承 反 力 R。 作 用 在 孔 隙 水 隔 離 體 上 的 力 ： (1)孔 隙 水 重 量 和 土 粒 浮 力 的 反 力 之 和 。 Ww Vv w + VS w wL (2)土 柱 兩 端 的 邊 界 水 壓 力 w hw和 w h1； (3

27、)土 柱 內(nèi) 土 粒 對 水 流 的 阻 力 ， 其 大 小 應(yīng) 和滲 透 力 相 等 ， 方 向 相 反 。 則 總 阻 力 J j L。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-32 考 慮 水 體 隔 離 體 的 平 衡 條 件 ， 可 得 ： iLhL Lhhj hLjLh hJwh wwww wwww wwww )( 1 1 1故 滲 透 力 j = j= w i 滲 透 力 是 一 種 體 積 力 ， 量 綱 與 w相 同 。 滲 透 力 的 大 小 和 水 力 坡 降 成正 比 ， 其 方 向 與 滲 流 方 向 一 致 。 滲 透 力 的 計 算 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)

28、工程學(xué)院41-33 若 左 端 的 貯 水 器 不 斷 上 提 ， 則 h逐 漸 增 大 ，從 而 作 用 在 土 體 中 的 滲 透 力 也 逐 漸 增 大 。 當(dāng) h增大 到 某 一 數(shù) 值 ， 向 上 的 滲 透 力 克 服 了 向 下 的 重 力時 ， 土 體 就 要 發(fā) 生 浮 起 或 受 到 破 壞 ， 俗 稱 。 土 體 處 于 流 土 的 臨 界 狀 態(tài) 時 的 水 力 坡 降 ic值 。土 骨 架 隔 離 體 的 平 衡 狀 態(tài) 。 當(dāng) 發(fā) 生 流 土 時 ， 土 柱壓 在 濾 網(wǎng) 上 的 壓 力 R 0， 故 W-J-R 0 即 L- jL 0 所 以 j w ic 從 而

29、 ic / w 上 式 中 的 ic為 ， 它 是 土 體 開 始 發(fā)生 流 土 破 壞 時 的 水 力 坡 降 。 臨 界 水 力 坡 降 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-34已 知 土 的 浮 容 重 e G ws 1 )1( 則ic為eGi sc 1 1 式 中 Gs、 e分 別 為 土 粒 比 重 及 土 的 孔 隙 比 。 由 此 可 知 ， 流 土 的 臨 界水 力 坡 降 取 決 于 土 的 物 理 性 質(zhì) 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-35 土 的 滲 透 變 形 (滲 透 破 壞 ) 土 工 建 筑 物 及 地 基 由 于 滲 流 作 用 而 出 現(xiàn)

30、 的 變 形 或 破 壞 稱 滲 透 變 形 (或 稱 滲透 破 壞 )。 如 土 層 剝 落 ， 地 面 隆 起 ， 細(xì) 顆 放 被 水 帶 出 以 及 出 現(xiàn) 集 中 滲 流 通 道 等 。 (一 ) 滲 透 變 形 的 類 型 土 的 滲 透 變 形 類 型 就 單 一 土 層 來 說 主 要 有 流 土 和 管 涌 兩 種 基 本 型 式 。 1.流 土 在 向 上 的 滲 透 水 流 作 用 下 ， 表 層 土 局 部 范 圍 內(nèi) 的 土 體 或 顆 粒 群 同 時 發(fā) 生懸 浮 、 移 動 的 現(xiàn) 象 稱 為 流 土 。 只 要 水 力 坡 降 達 到 一 定 的 大 小 ， 都

31、會 發(fā) 生 流 土 破 壞 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-36 2.管 涌 在 滲 透 水 流 作 用 下 ， 土 中 的 細(xì) 顆 粒 在 粗 顆 粒 形 成 的 孔 隙 中 移 動 以 至 流 失 ； 隨 著 土 的 孔 隙 不 斷 擴 大 ， 滲 透 流 速 不 斷 增 加 較 粗 的 顆 粒 也 相 繼 被 水 流 逐 漸 帶 走 ， 最 終 導(dǎo) 致 土 體 內(nèi) 形 成 貫 通 的 滲 流 管 道 ， 造 成 土 體 塌 陷 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 管 涌 。 管 涌 破 壞 一 般 有 個 時 間 發(fā) 展 過 程 ， 是 一 種 漸 進 性 質(zhì) 的 破 壞 。 管

32、涌 發(fā) 生 在 一 定 級 配 的 無 粘 性 土 中 ， 發(fā) 生 的 部 位 可 以 在 滲 流 逸 出 處 ， 也 可 以 在 土 體 內(nèi) 部 ， 故 也 稱 之 為 滲 流 的 潛 蝕 現(xiàn) 象 。 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-37 滲 流 破 壞 類 型 的 判 別 土 的 滲 透 變 形 的 發(fā) 生 和 發(fā) 展 過 程 有 其 內(nèi) 因 和 外 因 。 內(nèi) 因 是 土 的 顆 粒組 成 和 結(jié) 構(gòu) ,即 幾 何 條 件 ； 外 因 是 水 力 條 件 ， 即 作 用 于 土 體 滲 透 力 的 大 小 。 1.流 土 可 能 性 的 判 別 任 何 土 ， 包 括 粘 性

33、土 或 無 粘 性 土 ,在 自 下 而 上 的 滲 流 逸 出 處 ， 只 要 滿足 滲 透 坡 降 大 于 臨 界 水 力 坡 降 這 一 個 事 實 ， 均 要 發(fā) 生 流 土 。 可 按 下 列 條 件 ， 判 別 流 土 的 可 能 性 ： 若 i ic 土 體 發(fā) 中 流 土 破 壞 i = ic 土 體 處 于 臨 界 狀 態(tài) 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-38 1. 飽 和 土 中 的 兩 種 應(yīng) 力 形 態(tài) 飽 和 土 是 由 固 體 顆 粒 構(gòu) 成 的 骨 架 和 充 滿 其 間 的 水 組 成 的 兩 相 體 ， 當(dāng) 外 力作 用 于 土 體 后 一 部 分

34、由 土 骨 架 承 擔(dān) ， 并 通 過 顆 粒 之 間 的 接 觸 面 進 行 應(yīng) 力 的 傳遞 稱 之 為 粒 間 應(yīng) 力 ； 另 一 部 分 則 由 孔 隙 中 的 水 來 承 擔(dān) ， 水 雖 然 不 能 承 擔(dān) 剪應(yīng) 力 ， 但 卻 能 承 受 法 向 應(yīng) 力 并 且 可 以 通 過 連 通 的 孔 隙 水 傳 遞 ， 這 部 分 水 壓力 稱 為 孔 隙 水 壓 力 。 有 效 應(yīng) 力 原 理 就 是 研 究 飽 和 土 中 這 兩 種 應(yīng) 力 的 不 同 性 質(zhì) 和 它 們 與 總 應(yīng) 力的 關(guān) 系 。有 效 應(yīng) 力 原 理 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-39 2. 有

35、效 應(yīng) 力 原 理 有 效 應(yīng) 力 原 理 主 要 內(nèi) 容 可 歸 納 為 如 下 兩 點 ： 1.飽 和 土 體 內(nèi) 任 一 平 面 上 受 到 的 總 應(yīng) 力 可 分 為 有 效 應(yīng) 力 和 孔 隙 水 壓 力兩 部 分 ， 其 間 關(guān) 系 總 是 滿 足 ： 土 中 任 意 面 上 的 總 應(yīng) 力 ； 土 骨 架 的 承 受 的 粒 間 應(yīng) 力 ， 稱 有 效 應(yīng) 力 ； u 孔 隙 水 承 受 的 壓 力 ， 稱 孔 隙 水 壓 力 (靜 水 壓 力 和 超 靜 水 壓 力 )。u 有 效 應(yīng) 力 原 理 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-40 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程

36、學(xué)院41-41 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-42 2.土 的 變 形 (壓 縮 )與 強 度 的 變 化 都 只 取 決 于 有 效 應(yīng) 力 的 變 化 這 意 味 著 引 起 土 的 體 積 壓 縮 和 抗 剪 強 度 發(fā) 生 變 化 的 原 因 ， 并 不 是 作 用 在 土體 上 的 總 應(yīng) 力 ， 而 是 有 效 應(yīng) 力 。 孔 隙 水 壓 力 并 不 能 使 土 產(chǎn) 生 變 形 和 強 度 的 變 化 ， 因 為 水 壓 力 在 各 個 方 向相 等 ， 均 勻 作 用 在 每 個 土 粒 上 ， 不 會 使 土 顆 粒 移 動 ， 而 導(dǎo) 致 孔 隙 體 積 的 變

37、化 ，只 能 使 土 顆 粒 本 身 受 到 浮 力 。 土 顆 粒 本 身 的 壓 縮 模 量 E很 大 ， 壓 縮 可 以 忽 略 不計 。 另 外 ， 水 不 能 承 受 剪 應(yīng) 力 ， 因 此 孔 隙 水 壓 力 自 身 的 變 化 也 不 會 引 起 土 的抗 剪 強 度 的 變 化 。 正 是 因 為 如 此 ， 孔 隙 水 壓 力 也 被 稱 為 中 性 應(yīng) 力 。 但 是 應(yīng) 當(dāng)注 意 ， 當(dāng) 總 應(yīng) 力 保 持 常 數(shù) 時 ， 孔 隙 水 壓 力 u發(fā) 生 變 化 將 直 接 引 起 有 效 應(yīng) 力發(fā) 生 變 化 ， 從 而 使 土 體 的 體 積 和 強 度 發(fā) 生 變 化

38、 。有 效 應(yīng) 力 原 理 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院41-43 設(shè) 飽 和 土 體 內(nèi) 某 一 研 究 平 面 的 總 面積 為 A， 其 中 粒 間 接 觸 面 積 之 和 為 As ,則該 平 面 內(nèi) 由 孔 隙 水 所 占 的 面 積 為 Aw A As.若 由 外 荷 (和 /或 自 重 )在 該 研 究 平 面上 所 引 起 的 法 向 總 應(yīng) 力 為 ,如 圖 所 示 。 總 應(yīng) 力 必 將 由 該 面 上 的 孔 隙 水 和 粒間 接 觸 面 共 同 來 分 擔(dān) ， 即 該 面 上 的 總 法向 力 等 于 孔 隙 水 所 承 擔(dān) 的 力 和 粒 間 所 承擔(dān) 的 力 之 和 ， 于 是 可 以 寫 成 ： uAAAP AAuPA ssv ssv )1( )( 式 中 ， 右 端 第 一 項 Psv/A為 全 部 豎 向 粒間 作 用 力 之 和 除 以 橫 斷 面 積 A， 它 代 表 全 面積 A上 的 平 均 豎 直 向 粒 間 應(yīng) 力 ， 并 定 義 為 有效 應(yīng) 力 ， 習(xí) 慣 上 用 表 示 。 有 端 第 二 項 中的 As/A， 試 驗 研 究 表 明 ， 粒 間 接 觸 面 積 As不超 過 0.03A， 故 As/A可 忽 略 不 計 。u