土力学第二章分析
合集下载
土力学 第2章 土的渗透性
n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v
vs
v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
层流(线性流):大部分砂土，粉土；
疏松的粘土及砂性较重的粘性土。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土：近似适用： v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0：起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1，利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k，然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点：设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点：取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土，导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗，延长渗径；下 游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例：
2003年7月1日，上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故，防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数，通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义：在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中
发生移动并被带出的现象。 长期管涌破坏土的结构，最终导致土体内形成贯通的渗流 管道，造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件
2 土力学 第二章 土的渗透性及水的渗流
作用方向与渗流方向一致！
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力 等于土样浮度，即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度： i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此，若土中水向上渗流： ⑴若i>icr，会发生流土破坏，即“管涌”； ⑵若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”； ⑶若i<icr，不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小，hv≈0，因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为：
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差：
作业题：P54： 2-7，2-9 补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性：由于土中孔隙是相互连同 的，土体孔隙中的自由水会由于总水头 差而产生流动，这种土体被水透过的性 质，称为土的渗透性(permeability)。 一、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头 z、静水头hw和动水头hv，即：
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k不能用理论方法求得，只能通过试验确定。 测定k值室内方法：定水头法、变水头法。 （1）定水头法 保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k： 根据达西定律
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力 等于土样浮度，即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度： i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此，若土中水向上渗流： ⑴若i>icr，会发生流土破坏，即“管涌”； ⑵若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”； ⑶若i<icr，不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小，hv≈0，因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为：
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差：
作业题：P54： 2-7，2-9 补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性：由于土中孔隙是相互连同 的，土体孔隙中的自由水会由于总水头 差而产生流动，这种土体被水透过的性 质，称为土的渗透性(permeability)。 一、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头 z、静水头hw和动水头hv，即：
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k不能用理论方法求得，只能通过试验确定。 测定k值室内方法：定水头法、变水头法。 （1）定水头法 保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k： 根据达西定律
土力学_第2章(土的物理性质和工程分类)
粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
V
阿特堡界限 (Atterberg limit)
固态
半固态
可塑态
液态
水
Vs+Vw Vs
颗 粒 ws
缩限
O
wP
塑限
wL
液限
w
• 液限和塑限的测定方法
液限（wL）的测定： 锥式液限仪（中国）； 碟式液限仪（欧美，详见 ASTM 试验 规程）。
粉土
含水量w(%)
w＜20
20 ≤w≤30
w＞30
（2） 砂土的松－密状态 指标和状态（《地基与基础》－p27）
相对密实度 （Relative Density ）
0.67＜Dr≤1.0 0.33＜Dr≤0.67 0＜Dr≤0.33
emax e Dr emax emin
密实 中密 松散
工程上原位测试判断物理状态：
粒径分布曲线（级配曲线）
100
小于某粒径的土粒质量/%
80
60
40
20
0
10
1
0.1
0.01
1E-3
粒径/mm
• 不均匀系数
Cu
d 60
d10
Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。
• 曲率系数
Cc
2 d 30
(d 60 d10 )
Cc<1，中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。 Cc>3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。
水
mw
Vv=e
V =e+1
Vw Sr Vv
ms=s
Vs 土粒 ms
Vs=1
w s / w wGs e e
土力学 第2版 第二章 土的物理性质及分类
环刀法
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
环刀的容积V=60cm3； 环刀的质量m1； 环刀和土的质量m2；
土的密度: m2 m1
V
2.2.2 指标的定义
土力学
2.特殊条件下土的密度
质量m
体积V
Vw Va Vv
气
mw
水
m
ms
土粒
Vs V
（1）干密度ρd ：单位体积中固
体颗粒部分的质量 （紧密程度）
d
ms V
（2）饱和密度ρsat ：土体中孔 （3）浮密度ρ ：在地下水位
出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。
第2章 土的物理性质及分类
2.1 概述 2.2 土的三相比例指标 2.3 粘性土的物理特征 2.4 无粘性土的密实度 2.5 粉土的密实度和湿度 2.6 土的胀缩性、湿陷性和冻胀性 2.7 土的分类
土力学
2.2 土的三相比例指标
2.2.1 土的三相比例关系图 2.2.2 指标的定义 2.2.3 指标的换算
土力学
2.2.1 土的三相比例关系图
土力学
质量m
气
mw —土中水质量
mw
水
m
ms —土粒质量
ms
土粒
Vs V
Vw Va Vv
体积V
Va —土中气体积 Vw —土中水体积
Vs —土粒体积
m ms mw
Vv Vw Va
（土的总质量）
（土中孔隙体积）
V Vs Vw Va
（土的总体积）
2.2 土的三相比例指标
ds
ms
Vs 1
s 1
测定方法：比重瓶法
ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3
土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土
土力学第2章
常用的土的物理指标共有九个 土的密度 土粒相对密度 土的含水量 干密度 饱和密度 浮密度 孔隙比
孔隙率
饱和度
2.2 物理性质指标间的换算
常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过 换算可以求出其余的六个。
（一）孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv 为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：
I w w
p L
p
塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量 越高。
2.液性指数
粘性土的状态可用液性指数来判别。
定义为：
IL
w wp wL wp
w wp Ip
式中：IL—液性指数，以小数表示； w—土的天然含水率。
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系 ，表达了天然土所处的状态。
【例题】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3 ，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为 96.43g，根据试验得到的土粒相对密度ds为2.7， 试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率 、孔隙比、孔隙率和饱和度。
【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，
得 ρ=m ／ v=180 ／ 60=1.8g/cm3
塑限测定方法
搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃 上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻 恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为 塑限 液塑限联合测定法：取代表性试样，加 入不同数量的纯水，调制成三种不同稠 度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重 作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水 率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标， 在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2 毫米所对应的含水率为塑限。
粘性土
含水量
孔隙率
饱和度
2.2 物理性质指标间的换算
常用的土的物理指标共有九个。已知其中任意三个，通过 换算可以求出其余的六个。
（一）孔隙比与孔隙率的关系
设土体内土粒的体积为1，则e=Vv/Vs可知，孔隙的体积Vv 为e，土体的体积V为（1＋e），于是有：
I w w
p L
p
塑性指数越高，吸着水含量可能高，土的粘粒含量 越高。
2.液性指数
粘性土的状态可用液性指数来判别。
定义为：
IL
w wp wL wp
w wp Ip
式中：IL—液性指数，以小数表示； w—土的天然含水率。
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系 ，表达了天然土所处的状态。
【例题】某一块试样在天然状态下的体积为60cm3 ，称得其质量为108g，将其烘干后称得质量为 96.43g，根据试验得到的土粒相对密度ds为2.7， 试求试样的湿密度、干密度、饱和密度、含水率 、孔隙比、孔隙率和饱和度。
【解】（1）已知V＝60cm3，m=108g，
得 ρ=m ／ v=180 ／ 60=1.8g/cm3
塑限测定方法
搓滚法：调制均匀的湿图样，在毛玻璃 上搓滚成3毫米直径的土条，若这个时刻 恰好出现裂缝，就把土条的含水率定为 塑限 液塑限联合测定法：取代表性试样，加 入不同数量的纯水，调制成三种不同稠 度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重 作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水 率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标， 在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2 毫米所对应的含水率为塑限。
粘性土
含水量
第二章土力学
方法一：判断静水压力与土总重量之间的平衡 ? ?ihi ? ?wHw
解：设测压管水位高出地面 x m，
则砂土层上界面b以上：
总静水压力
?wH w ? ?w ? (3 ? 1.5 ? 1.5 ? x)
T = - Gd ? 大小： T =γw i (KN/m3) ? 方向：自上而下、自下而上、水平 ? 作用：冲刷作用、影响土体渗流稳定性
T （ Gd ）公式的推导：
γwh1F
α
TLF γwLF cos α
α
γwLF
γwh2F
对水柱体BA受力分析：
前提：水头差(H1-H2)；长度 L；截面积F 忽略渗流水惯性力。
? 毛细压力（毛细粘聚力） 在土粒接触面上由于空气和水分界面产生的表面张力。
§2.2 土的水理性质（三）
? 2.2.2 土的冻胀融陷特性
? 冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩 大，土层中形成冰夹层，土体发生隆起。
? 融陷：土层解ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时，土中积聚的冰晶体融化，土体随之下陷。 ? 冻融对工程影响
成层土渗流示意图
n
n
? ? qx ? qix ? kii ?Hi
i?1
i?1
qx ? kxi ?H
达西 定律
? kx
?
1 H
n
ki ?Hi
i?1
§2.5 渗透系数的测定（四）
? 与土层面垂直时的平均渗流系数
成层土渗流示意图
qy
?
ky
h H
?A
qiy
?
ki
? hi Hi
?A
qy ? qiy
? ky ? H
? 按水流在空间上的分布状况 一维、二维、三维流动
《土力学与地基基础》第二章
达西定律只适用于层流 层流： 层流 适用于中砂、细砂、粉砂等 粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。 因为在这些土的孔隙中水的渗流速度较大，已不是层流而是紊流。当水力 梯度较小时，渗流可认为是层流，这时达西定律仍然适用。
Page 18
第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究，主要讨论五个问题 对土渗透性的研究，主要讨论五个问题： 渗流模型； 土中水渗透的基本规律（层流渗透定律） ；影响土渗透性的因素 影响土渗透性的因素；渗透系数及其测定； 渗流力及渗流 影响土渗透性的因素 稳定分析。
土力学与地基基础
康晓惠
第二章 土的渗透性
主要内容： 主要内容： 2.1 概述 2.2 达西渗透定律 2.3 渗透系数的测定 2.4 流网及其工程应用
Page 2
第二章 土的渗透性
2.1 概 述
土是具有连续孔隙通道的物质体系，因而水能在其中流动。 渗透： 渗透：在水位差作用下，水穿过土中相互连通的孔隙发生流动的现象，称为 土中水的渗透（渗流）。 渗透性： 渗透性：土能够让水等流体通过的性质叫土的渗透性。
图3-7 常水头渗透试验
Page 25
第二章 土的渗透性
常水头渗透试验装置
Page 26
第二章 土的渗透性
2.变水头渗透试验
– 土样的截面积A，高度为L – 储水管截面积为a – 试验开始储水管水头为h0 – 经过时间t后降为h1 – 时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ=-adh
图3-8 变水头渗透试验
第二章 土的渗透性
对土渗透性的研究，主要讨论五个问题 对土渗透性的研究，主要讨论五个问题： 渗流模型； 土中水渗透的基本 规律（层流渗透定律）；影响土渗透性的因素；渗透系数及其测定； 渗流 力及渗流稳定分析。
土力学与地基基础-第二章土的渗透性图文
2h x2
2h y 2
0(各向异性：kx
2h x2
ky
2h y 2
0)
上式就是著名的拉普拉斯(Laplace)方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。
二、流网及其特征
就渗流问题来说，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水 头是相等的；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交 织在一起形成的网格叫流网。
得出：流量Q与过水面积A和水头 （h1-h2）成正比与渗透路径L成反比，
即达西定律： Q kA h1 h2 vA kiA l
达西渗透实验装置
二、达西渗透定律
达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细 裂隙的岩石等。
①砂土、一般粘土
②颗粒极细的粘土
细粒土的v-i关系
经验估算法
●1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:
K d2 10
●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:
K 2d 2 e2 10
成层土的渗透系数(补充)
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据。
v k h ki l
是单位时间内流过单位土截面积的水量，
i—水头梯度或水力坡降。
k—渗透系数，cm/s。
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。
二、达西渗透定律
达西渗透实验
装置中①是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有 两支相距为L的侧压管。滤板②填放颗粒均匀 的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢 水管③溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透 过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以 此来计算渗流量Q。
土力学第二章：土的物理性质及工程分类全解
第2章 土的物理性质及工程分类 2.2 土的三相组成
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 巨粒(>200mm)
土颗粒
粗粒(0.075-200mm)
卵石或碎石颗粒 (20200mm)
圆砾或角砾颗粒 (2-20mm) 砂 (0.075-2mm)
细粒(<0.075mm)
粉粒(0.005-0.075mm)
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ①温差风化：由于温差 变化，岩石在热胀冷缩 过程中逐渐破碎的过程， 常发生在温差较大的干 旱气候地区。
2.1 土的生成与特性
第2章 土的物理性质及工程分类
2.1.1土的生成
（1）物理风化 ② 冰劈作用：充填于岩 石裂隙中的水结冰体积 膨胀而使岩石裂解的过 程。 水结成冰时其体积可增 大9.2％。冰体将对裂缝 壁产生2000kg／cm2的 巨大压力。
1.0 ,0.5, 0.25,
0.075
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (1) 筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm
2.2 土的三相组成
筛析机
第2章 土的物理性质及工程分类
2.2.1土的固体颗粒
3.土的粒径级配 (2) 比重计法:适用于d＜0.075mm
粒径<0.25mm: 粒径<0.075mm:
1-155 0 0151 000 1% 0 500
1-15 5 0 015 100 3 0 04% 500
<2.0
<1.0
<0.5
<0.25
<0.075
90%
60%
武汉理工大学土力学2第2章土的渗透性
积分
k＝
aL
A (t 2 −
t1 ) ln
h1 h2
四、影响渗透系数的因数
1.土粒大小与级配
细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。
2.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。
3.水的温度
④排水减压
减压井 黏性土
含水层
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
二级抽水后水位 多级井点降水
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。
1.地下水的浮托作用
地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对 建筑物基础产生浮托力
2.地下水的潜蚀作用
在施工降水等过程中产生水头差，在渗流作用下发生管涌， 将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层 中。
3.流砂
流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或 建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的 稳定。通常易在粉细砂地层中产生，在地下水位以下的基坑开 挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 。
3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配 以及水力条件等因素有关。
黏性土由于粒间具有黏聚力，黏结较紧，一般不出现管涌而 只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu<10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 。
k＝
aL
A (t 2 −
t1 ) ln
h1 h2
四、影响渗透系数的因数
1.土粒大小与级配
细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。
2.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。
3.水的温度
④排水减压
减压井 黏性土
含水层
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
二级抽水后水位 多级井点降水
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。
1.地下水的浮托作用
地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对 建筑物基础产生浮托力
2.地下水的潜蚀作用
在施工降水等过程中产生水头差，在渗流作用下发生管涌， 将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层 中。
3.流砂
流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或 建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的 稳定。通常易在粉细砂地层中产生，在地下水位以下的基坑开 挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 。
3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配 以及水力条件等因素有关。
黏性土由于粒间具有黏聚力，黏结较紧，一般不出现管涌而 只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu<10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 。
土力学第二章土的渗透性和渗透问题
三．渗透系数的测定及影响因素
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
土力学第2章
第2章土的渗透性与渗流2.1概述由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而产生孔隙内的流动，这一现象称为渗透。
土具有被水透过的性能称为土的渗透性。
这里所论及的水是指重力水。
水是在土的孔隙中流动的，本章假定土颗粒骨架形成的孔隙是固定不变的，并且认为，在孔隙中流动的水是具有粘滞性的流体。
也就是说，把土中水的流动，简单地看成是粘滞性的流体在土烧制成的素陶磁管似的刚体的孔隙中流动。
这种思考方法，在被称为达西定律的试验中反映出来。
达西定律是土中水的运动规律的最重要的公式。
这个公式采用了“水是从水头(总水头)高的地方流向低处”这一水流的基本原理。
根据达西定律和连续方程，再考虑边界条件，一般的透水问题都可以得到解决，即可以求出土中水的流量(透水量)及土中水压力的分布。
如图2-1 所示为土木、水利工程中典型渗流问题。
此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。
为此，我们必须对土的渗透性质、水在土中的渗透规律及其与工程的关系进行很好的研究，从而给土工建筑物或地基的设计、施工提供必要的资料。
图2-1土木、水利工程中的渗流问题2.2土的渗透性土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。
渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象。
渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。
水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。
此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。
2.2.1土的渗透定律地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。
为了揭示水在土体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
土力学第二章
q z = q zi , ∆h =
i x = i xi ( ∆h = ∆hi ), q x =
∑q
i =1nxi Nhomakorabea)；（2 ；（2
）试根据图2.5（b）求垂直透水时总垂直渗透系数Kz (提 试根据图2.5 2.5（ 求垂直透水时总垂直渗透系数K
∑ ∆h
i =1
n
i
)；
解：(1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位面积 (1)水平透水时各层土的水力坡降 或水头差）相等， 水平透水时各层土的水力坡降（ 上的总水平透水量等于各层透水量之和， 上的总水平透水量等于各层透水量之和，即：
置
H2
γ w La
L
z2
z 2 − z1 cos α = L
-∆h 压 力 总 水 头 H1 位 置 水 头 z1 A 水 L z2 头 h1 TLa 水 头 a α B 位 置 总 水 头
j = γw
压 力 水
h1=H1-z1；h2=H2h1=H1-z1；h2=H2-z2
T = γw
H1 − H 2 = γ wi L
h 45 −2 V = k At = 2.5 ×10 × ×120 ×10 = 54cm3 l 25
h k Adt = a (−dh) l
A dh k dt = −a l t1 h h1
t2
∫
h2
∫
A h2 h1 k (t 2 − t1 ) = − a ln = a ln l h1 h2
k= 2.3al h lg 1 A(t2 − t1 ) h2
v2 u +z+ = h = 常数 2g γw
z+ u
γw
=h
-△h =h1-h2=(z1+u1/γw)-(z2+u2/γw)
i x = i xi ( ∆h = ∆hi ), q x =
∑q
i =1nxi Nhomakorabea)；（2 ；（2
）试根据图2.5（b）求垂直透水时总垂直渗透系数Kz (提 试根据图2.5 2.5（ 求垂直透水时总垂直渗透系数K
∑ ∆h
i =1
n
i
)；
解：(1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位面积 (1)水平透水时各层土的水力坡降 或水头差）相等， 水平透水时各层土的水力坡降（ 上的总水平透水量等于各层透水量之和， 上的总水平透水量等于各层透水量之和，即：
置
H2
γ w La
L
z2
z 2 − z1 cos α = L
-∆h 压 力 总 水 头 H1 位 置 水 头 z1 A 水 L z2 头 h1 TLa 水 头 a α B 位 置 总 水 头
j = γw
压 力 水
h1=H1-z1；h2=H2h1=H1-z1；h2=H2-z2
T = γw
H1 − H 2 = γ wi L
h 45 −2 V = k At = 2.5 ×10 × ×120 ×10 = 54cm3 l 25
h k Adt = a (−dh) l
A dh k dt = −a l t1 h h1
t2
∫
h2
∫
A h2 h1 k (t 2 − t1 ) = − a ln = a ln l h1 h2
k= 2.3al h lg 1 A(t2 − t1 ) h2
v2 u +z+ = h = 常数 2g γw
z+ u
γw
=h
-△h =h1-h2=(z1+u1/γw)-(z2+u2/γw)
土力学第二章
第二章 土的渗透性和渗流问题
2.1 概述 2.2 土的渗透性 2.3 二维渗流与流网
2.4 渗透力与渗透变形
2.1 概述
2.1 概述
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒 土中水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺 盖
1 kx H
kz
1 k j H j （0.0011 0.2 1 101 ） 3.4m/d 3 j 1
3 1 1 1 0.001 0.2 10 0.003m/d
n
k
j 1
H n H j
j
水平渗流kx：渗透系数大的土层起主导作用 竖直渗流kz：渗透系数小的土层起主导作用 kx恒大于kz，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数
2.2 土体的渗透性
2.2 土体的渗透性
2.2.2
渗透系数的测定和影响因素
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
2.2 土体的渗透性
1、常水头试验法
试验条件: Δh，A，L已知 量测变量: V，t 结果整理
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
2.1 概述 2.2 土的渗透性 2.3 二维渗流与流网
2.4 渗透力与渗透变形
2.1 概述
2.1 概述
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒 土中水 渗流
三相体系
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺 盖
1 kx H
kz
1 k j H j （0.0011 0.2 1 101 ） 3.4m/d 3 j 1
3 1 1 1 0.001 0.2 10 0.003m/d
n
k
j 1
H n H j
j
水平渗流kx：渗透系数大的土层起主导作用 竖直渗流kz：渗透系数小的土层起主导作用 kx恒大于kz，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向
Q lg(r2 / r1 ) k 2.3 h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
2.2 土体的渗透性
4、影响渗透系数的因素
k f (土粒特性、流体特性）
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数
2.2 土体的渗透性
2.2 土体的渗透性
2.2.2
渗透系数的测定和影响因素
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
2.2 土体的渗透性
1、常水头试验法
试验条件: Δh，A，L已知 量测变量: V，t 结果整理
V=Qt=vAt v=ki
i=Δh/L
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
土力学第二章分析
表2.1 土粒粒组划分
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
粒组名称
漂石或块石颗粒 卵石或碎石颗粒
粒径范围(mm)
＞200 200~20
一般特征 透水性很大，无粘性，无毛细水。
圆砾或角砾颗 粒
粗 中 细
20~10 10~5 5~2
透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过 粒径大小。
砂粒 粉粒
粗 中 细 极细
粗 细
粘粒
2~0.5 0.5~0.25 0.25~0.1 0.1~0.075
土力学第二章分析
阳离子 A
水分子 A
负电荷
土粒
强结 合水
固定层
弱结 合水
扩散层
图2.2 土中水示意图
自由水
土力学第二章分析
在靠近土粒表面处，静电引力最强，能把水化 离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面上形成 固定层。在固定层外围，静电引力较小，水化离 子和极性水分子活动性比在固定层中大些，形成 扩散层。固定层与扩散层中的水分别称为强结合 水和弱结合水。
土力学第二章分析
但速度较慢。
筛分法
用一套孔径不同的筛 子，按从上至下筛孔 逐渐减小放置。将事 先称过质量的烘干土 样过筛，称出留在各 筛上的土质量，然后 计算其占总土粒质量 的百分数 。
土力学第二章分析
比重计法 利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不 同来确定小于某粒径的土粒含量
土力学第二章分析
颗粒粒径级配曲线 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表 示土粒的粒径(对数坐标）
合体（土）
固相
土中颗粒的大小、成分及三
土 液相
相之间的相互作用和比例关
气相
系，反映出土的不同性质
土力学第二章分析
✓ 土的物理性质，如轻重、松密、干湿、软硬 等在一定程度上决定了土的力学性质，它是 土的最基本的工程特性。
✓ 土的物理性质则是由三相组成物质的性质、 相对含量以及土的结构构造等因素决定。
易透水，当混入云母等杂质时透水性减小， 而压缩性增加，无粘性，遇水不膨胀，干 燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径 变小而增大。
0.075~0.01 0.01~0.005
透水性小；湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干 时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快， 极易出现冻胀现象。
＜0.005
透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨 胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，
土力学第二章分析
2.土粒的矿物成分
矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用
原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与 母岩相同
例：石英、云母、长石等 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土 具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点 次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其 成分与母岩不相同 例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等
试验方法
筛分法：适用于 比0.重07计5m法m:适≤用d于≤6d0＜m0m.075mm
目前土的粒组划分方法并不完全一致，表2.1提供的是 一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径 200mm、20mm、2mm、0.075mm和0.005mm把 土粒分为六大粒组：漂石（块石）颗粒、卵石（碎石） 颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒和粘粒。
一、土的固相
土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对 土的物理力学性质有明显影响。
土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构 成土的骨架最基本的物质，称为土中的固体颗粒 （土粒）。
土力学第二章分析
1.土的颗粒级配
工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干 粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中 各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数） 来表示，称为土的颗粒级配
对于砾类土或砂类土，
匀。工程上把Cu＜5的土视 同时满足Cu≥5和
为级配不良的土； Cu＞10 Cc=1～3时，定名为良
的土视为级配良好的土
好级配砂或良好级配砾
土力学第二章分析
颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。 级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒 所填充，易被压实，因而土的密实度较好，相应 地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性 也较小，适于做地基填方的土料。
土力学第二章分析
常用的颗粒级配的表示方法是累计曲线法。 根据颗粒分析试验成果，通常用半对数纸绘制。
横坐标（按对数比例尺）表示粒径，纵坐标表示 小于某粒径的土粒占土总重的百分比，如上图。 由曲线的陡缓大致可以判断土的均匀程度。如曲 线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒均匀， 即级配不良；如曲线平缓，则表示粒径大小相差 悬殊，土粒不均匀，即级配良好。
✓ 在处理地基基础问题时，不但要知道土的物 理性质特征及其变化规律，了解土的工程特 性，而且还应当熟悉表示土的物理性质的各 种指标的测定方法，能够按土的有关特征和 指标对地基土进行工程分类，初步判定土的 工程性质。
土力学第二章分析
§2.1 土的组成及其结构与构造
土是由固体颗粒、液体和气体三部分组成的， 通常称为土的三相组成。随着三相物质的质量和体 积的比例不同，土的性质也将不同。
第二章 土的物理性质与工程分类
主要内容
§2.1土的组成及其结构与构造 §2.2土的物理性质指标 §2.3土的物理状态指标 §2.4土的压实性 §2.5地基土(岩)的工程分类
土力学第二章分析
土的物理性质概述
风化（物理、 化学）作用
搬运 沉积
大小、形状和
岩石
岩石破碎 化学成分改变
成分都不相同 的松散颗粒集
特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性， 遇水易膨胀的特点
土力学第二章分析
二、土中的水
土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性 土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固 体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水
1.结合水
结合水是指在电分子引力下吸附于土粒表面的水。 由于土粒表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场， 在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一 起被吸附在土粒表面。极性水分子被吸附后呈定向 排列，形成结合水膜，如图2.2所示。
土力学第二章分析
颗粒级配的描述
工程上常用不均匀系
数Cu描述颗粒级配的
不均匀程度
曲率系数Cc描述颗粒级 配曲线整体形态，表明 某粒组是否缺失情况
Cu
d 60 d 10
Cc
d
2 30
d10d 60
d10、d30、d60小于某粒径的
土粒含量为10%、 30%和 60%时所对应的粒径
Cu愈大，表示土粒愈不均