土力学 第二章

为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑 开挖时，设置减压井或深挖排水槽
2.基坑开挖防渗措施
①工程降水
采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位
原地下水位
明沟排水 原水位面 一级抽水后水位
在基坑内（外）设置排 水沟、集水井，用抽水 设备将地下水从排水沟 或集水井排出
二级抽水后水位
多级井点降水
要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周 围布置一排至几排井点， 从井中抽水降低水位
hw
L
h1=L+hw+ Δh
取土骨架作为隔离体
Δh 水 土
hw
L
W’有效重力 W AL J 渗流力 J=A L j F 滤网支撑力 取孔隙水作为隔离体 上面水压γwhwA Ww孔隙水重力与浮力 反力之和 J’ 渗流力反作用力 J’=A L j
Leabharlann Baidu
下面水压γwh1 A h1=L+hw+ Δh
◆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。封闭气体含量愈多，土的渗透性 愈小。
四、成层土的渗透性 1.竖直方向渗流
Δh1
Δh Δh2 Δh3
●通过整个土层的流量相等 ●通过每一层的水头损失之 和等于总的水头损失
q=q1=q2=q3
v=v1=v2=v3
h h1 h2 kv k1 k2 H H1 H2 h H1 h1 kh kv H1 H k1
D
C点孔隙水压力 uC hC Z C
1 2 3 4
h hC h 1 n 1
w
ZC由图上C到基准面距离量测 求出uc
Δh 等势线 A 流线 流槽 B C b l
流网一般为曲线 ◆等势线与流线正交
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 5
◆相邻等势线之间的 水头损失相等
◆各流槽流量相等 ◆流线越密的地方流 速越大
流线
等势线
H
闸基渗流模拟 ◆渗透水量计算 ◆渗透变形：渗透力 ◆渗透破坏与防护
基坑渗流模拟
第二节 土的渗透性与达西定律
一、地下水的运动方式 1。层流和湍流 2。稳定流和非稳定流 3。单向流动，二维流动 和三维流动 二、水头和水力坡 降的概念
hA uA
γ
w
压力 水头
水力 坡降 线
uB
B
A
γ
w
△h
zA
二、渗透变形(seepage deformation) Δh 水 土 ◆由下向上渗流，当水力梯 度达到一定值，使得渗流 力与土的有效重力大小相 等、方向相反，土粒不受 力，顺水流带走。----流土 ◆对应的水力梯度为临界水 力梯度
hw
L
ds 1 sat icr 1 (d s 1)(1 n) w w 1 e
h Q qt kiAt k At L
QL k hAt
2、变水头试验 截面面 积a
适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土 管内减少水量＝ 流经试样水量
dQ=－a.dh dQ=kiAdt=kAh/Ldt
aL h1 k＝ ln At2 t1 h2
二、现场抽水试验 根据井底土层情况可分为：井底钻至不透水层时 称为完整井；井底未钻至不透水层时称非完整井 过水断面： 柱面
等势线 A 流线 流槽 B C b l
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 5
D
1 2 3 4
Δh 等势线 A 流线 B Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 5
C b l
h b (m 1) q vb(m 1) k (n 1) l kh (m 1) b (n 1) l
单宽流量
Δh= Δh1+ Δh 2+ Δh 3
h H 2 h2H kh H k2
Hn H2 k1 k 2 kn
H n Hi ( ) i 1 ki
【例题】ABC三种土,装在断面矩形10cm×cm的方 管中，kA=1×10-2cm/s, kB=3×10-3cm/s, kC=5×10-4cm/s。（1）渗流经过A土后的水头损 失？（2）若要保持Δh=35cm的水头差，需要每 秒加水多少？ 解 Δh= Δh1+ Δh 2+ Δh 3 Δh1=? Δh=35cm h3 h1 h2 k1 k2 k3 H1 H2 H3 30cm 10cm
i [i ]
判定是否发生流土？ ◆计算临界水力梯度； ◆计算此时的水力梯度； ◆比较二者大小
Fs
流土(soil flow, floating earth, quick sand)：在渗 流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内 土 粒群同时发生移动的现象 ■流土发生于地基或 土坝下游渗流出逸 处，不发生于土体 内部。 ■开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流 土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏
管涌(piping)或潜蚀(suffosion) 在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大 颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象 ▲土体在渗透水流作用下， 细小颗粒被带出，孔隙逐 渐增大，形成能穿越地基 的细管状渗流通 道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。 ▲管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗 流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐 进性的破坏。
渗透力方向 与重力一致， 促使土体压 密、强度提 高，有利于 土体稳定
渗流方向近乎水 平，使土粒产生 向下游移动的趋 势，对稳定不利
a
b
c
渗流力与重力 方向相反，当 渗透力大于土 体的有效重度， 土粒将被水流 冲出
渗透变形的防治
防渗处理措施
1.水工建筑物渗流处理措施
一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径， 下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形 ①垂直截渗 目的:延长渗径，降低上、下游的水 力坡度。垂直截渗墙、帷幕灌浆、 板桩等均属于垂直截渗.
k-渗透系数
v达西
Av v孔隙 A
v-渗透速度：过水断面 nv孔隙 的平均流速，非真实 流速
Av达西 Av v孔隙 v达西 nv孔隙
四、达西定律适用范围与起始水头梯度
达西定律
v ki
v v=ki O
1.砂土的渗透速度与水 头梯度呈线性关系
i 砂土 2.密实的粘土，需要克服 虚直线简化 v 结合水的粘滞阻力后才能 发生渗透；同时渗透系数 计算起 v k (i ib ) 与水力坡降的规律还偏离 始水力 达西定律而呈非线性关系 坡降 0 密实粘土 i i
孔隙水
上面水压γwhwA
下面水压γwh1 A
Ww孔隙水重力与浮力 反力之和 J’ 渗流力反作用力 J’=A L j’
h1=L+hw+ Δh Ww= γw Vv+ γw Vs= γwV= γwLA
γw hwA- γwh1 A+ γwLA+ A L j’= 0
w hA j w i AL
渗流力是渗流对单位土体的作 用力，体积力，其大小与水 力坡降成正比，作用方向与 渗流方向一致，单位为kN/m3
A.流网中网格越密处，其水力坡降越小
B.位于同一根等势线上的两点，其孔隙水压力总是相同的
C.同一流网中，任意两相邻等势线之间的势能差相等 D.渗流速度的方向为流线的法线方向
第二章 土的渗透性与渗流
□土的渗透性与达西定律 □渗透系数的测定及其影响因素
□流网的概念
□渗流力与渗透破坏 流土和管涌
第一节 土的渗透问题概述
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为 渗透(permeability)或渗流 (seepage)
上游
浸润线
下游
土坝蓄水后水 透过坝身流向 下游 隧道开挖 时，地下 水向隧道 内流动
dh i dr q Aki dh 2 πrhk dr
A=2πrh
q ln( r2 / r1 ) k 2 2 h2 h1
三、影响渗透系数的因素 ◆土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小。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。 ◆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。
v1=v2=v3
50cm
A
B
C
h1 q kA A L1
第四节 二维渗流、流网及工程应用
流槽划分原则：通过 每个流槽的流量相 Δh 等 等势线数n，流线数m 相邻2个等势线的水头 损失：Δh/(n-1) h 流速: v ki k (n 1) l h b q vb k (n 1) l
②设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地 下水的渗流路径，减小水力坡降
钢板桩
③水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流 砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水， 并同时进行挖掘
名词解释 渗透变形，水力坡降，渗流力，流土，临界水力梯 度，管涌 简答题 1. 讨论室内渗透试验的优缺点 2. 比较流土和管涌的区别 单选题 下列描述正确的是
D
1 2 3 4
◆等势线越密地方水 力梯度越大
第五节 渗流力与渗流破坏
一、渗流力 土粒受到水流的 拖拽力T 渗流力(seepage 阻力 force)：渗透水 作用力 流施加于单位体 与反作用力 积土粒上的拖曳 力 ★渗流力方向：与水流方向 一致 j 大小？ ★单位：kN/m3 ，体积力
水流
v
取饱和水土作为隔离体 Δh 水 土 上面水压γwhwA 重力 W=γsatL A 下面水压γwh1 A
②设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长 了水流渗透路径
粘土铺盖
③设置反滤层
水位
回填中粗砂 砂垫层 加筋土工布 抛石棱体
反滤层既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒 流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等 的无粘性土组成，也可由土工布代替.
④排水减压
减压井 粘性土 含水层
b
在砾类土和巨粒土中，若 水头梯度较大，水在其中 的流动大多是紊流状态， v 呈非线性关系；只有在较 小的水头梯度时，才可能 是线性的
vc i
0
砾土
i
达西定律适用于饱和砂土、层流，不适用 于紊流
第三节 渗透系数的测定及影响因素
一、渗透试验（室内） 1.常水头试验
适用于透水性大（k>10-3cm/s） 的土，例如砂土。 时间t内流出的水量
j wicr
临界水头坡降(critical hydraulic gradient)——— 使土体开始发生渗透变形的水头梯度
将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)， 作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物 的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许 坡降[i]内 icr
水头：能量的反映
L 位置 水头 基准面 基准面
zB
hB
忽略速度水头，一点总水头
h z
u
w
测管水头：位置水头与压力水头之和 u：孔隙水压力（静水压力）
hA hB h i LAB L
沿渗透方向上单位长度的 水头损失
三、达西定律
Q=tq=tAv
A：过水断面积 试验中土样横截面积
v=ki