第四章 土的物理性質(zhì)及滲透性4-5節(jié)

1、土力學(xué)土力學(xué)達西定律達西定律4.2土的滲透性土的滲透性4.1滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素4.3第四節(jié)土的滲透性第四節(jié)土的滲透性土力學(xué)土力學(xué)4.1土的滲透性概念土的滲透性概念v 滲透滲透: :液體（如土中水）從物質(zhì)微孔（如土體孔隙）中液體（如土中水）從物質(zhì)微孔（如土體孔隙）中透過的現(xiàn)象透過的現(xiàn)象v 滲透性（透水性）：滲透性（透水性）：土體具有被液體（如土中水）透過土體具有被液體（如土中水）透過的性質(zhì)的性質(zhì)v 滲流：滲流：液體（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透液體（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透水性介質(zhì)（如水工建筑物）中的流動問題水性介質(zhì)（如水工建筑物）中的流動問題v

2、 滲流力（滲透力）：滲流力（滲透力）：土中的滲流對土顆粒施加的作用力土中的滲流對土顆粒施加的作用力土力學(xué)土力學(xué)4.1土的滲透性概念土的滲透性概念v滲流量問題：滲流量問題：如基坑的滲水和排水；土堤壩身、壩如基坑的滲水和排水；土堤壩身、壩基土中的滲水量；水井的供水量或排水量?；林械臐B水量；水井的供水量或排水量。v滲透破壞問題：滲透破壞問題：當滲透力過大時就會引起土顆?；虍敐B透力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞。如邊土體的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞。如邊坡破壞、地面隆起，堤壩失穩(wěn)等。坡破壞、地面隆起，堤壩失穩(wěn)等。v滲流控制問題：滲流控制問題：研究工程措施進行滲流控

3、制，以滿研究工程措施進行滲流控制，以滿足滲流量或滲透變形的設(shè)計要求。足滲流量或滲透變形的設(shè)計要求。水在土體中的滲流的影響：水在土體中的滲流的影響：v引起水量損失或基坑積水，影響工程進度和收益引起水量損失或基坑積水，影響工程進度和收益v引起土體變形，改變構(gòu)筑物或地基的穩(wěn)定條件，影引起土體變形，改變構(gòu)筑物或地基的穩(wěn)定條件，影響工程安全。響工程安全。土的滲透性是反映土的孔隙性規(guī)律的基本內(nèi)容之一土的滲透性是反映土的孔隙性規(guī)律的基本內(nèi)容之一土力學(xué)土力學(xué)降雨入滲引起的滑坡降雨入滲引起的滑坡事故實例事故實例土力學(xué)土力學(xué)4.1土的滲透性概念土的滲透性概念水在土中的滲流是由水頭差或水力梯度引起的，根據(jù)水在土中的

4、滲流是由水頭差或水力梯度引起的，根據(jù)D.伯努利（伯努利（1738)定理。定理。水頭水頭zpgvhw22式中：式中： h h總水頭總水頭，m m； v v流速流速，m m/s/s； g g重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2； p p水壓，水壓，kPakPa； w w水的重度，水的重度，kN/mkN/m3 3； z z基準面高程，基準面高程，m m水在土中的滲流，速度很慢，因此由速度引起的水頭項可以忽略。則水在土中的滲流，速度很慢，因此由速度引起的水頭項可以忽略。則水頭水頭zphw土力學(xué)土力學(xué)h hw wB BP PB Bh hw wA AP PA AZ ZA Ah hL L速度，速度，v

5、 4.1土的滲透性概念土的滲透性概念A(yù)BB BZ Z)()(BwBAwABAZPZPhhhA、B兩點的水頭差為：兩點的水頭差為：水力梯度水力梯度i i：在含水層中沿水流方在含水層中沿水流方向每單位距離的水頭下降值。向每單位距離的水頭下降值。Lhi在大多數(shù)情況下，土中水的滲流基在大多數(shù)情況下，土中水的滲流基本處于層流狀態(tài)，即本處于層流狀態(tài)，即iv 土力學(xué)土力學(xué)kAiq kiAqv或或4.2達西定律達西定律層流：層流：水在土的孔隙中是不規(guī)則運動的，但水在其中的流速很小，可視為層流水在土的孔隙中是不規(guī)則運動的，但水在其中的流速很小，可視為層流式中：式中：q q單位滲水量單位滲水量，c cm m3 3

6、/s/s； v v斷面平均滲流速度斷面平均滲流速度，c cm/sm/s； i i水力梯度或水力坡降；水力梯度或水力坡降； k k土的滲透系數(shù)，土的滲透系數(shù)，cm/scm/s達西定律：達西定律：在層流條件下，土中水滲流速度與能量（水頭）損失之間服從線性在層流條件下，土中水滲流速度與能量（水頭）損失之間服從線性滲流規(guī)律滲流規(guī)律h1 h2 LhAq達西根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，達西根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，單位時間內(nèi)的滲單位時間內(nèi)的滲出水量出水量q q與圓筒斷面積與圓筒斷面積A A和水力梯度和水力梯度i i成正成正比比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)寫成等式（寫成等式（達西定律表達式達西定律表達式）土力學(xué)土力學(xué)

7、kiv 達西定律達西定律砂土的滲透速度與水砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系力梯度呈線性關(guān)系 密實的粘土，需要克密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透后才能發(fā)生滲透; ;同同時滲透系數(shù)與水力坡時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達西降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關(guān)系定律而呈非線性關(guān)系 ib起始水起始水力坡降力坡降虛直線簡化虛直線簡化達西定律適用于層達西定律適用于層流，不適用于紊流流，不適用于紊流v=kiivO O砂土砂土)(biikv0iv密實粘土密實粘土4.2達西定律達西定律土力學(xué)土力學(xué)4.2達西定律達西定律公式中用的是土樣的整個斷面積，其中包括了公式中用的是土樣

8、的整個斷面積，其中包括了土粒骨架所土粒骨架所占的部分面積在內(nèi)占的部分面積在內(nèi)，而土粒本身是不透水的，因此，而土粒本身是不透水的，因此過水斷面積過水斷面積A Ar r是小于整個斷面積是小于整個斷面積A A，實際平均流速實際平均流速v vr r應(yīng)大于應(yīng)大于v v，一般，一般v v稱為假稱為假想平均流速想平均流速。 v v與與v vr r的關(guān)系可通過水流連續(xù)原理建立如下：的關(guān)系可通過水流連續(xù)原理建立如下：rrAvvAq若均質(zhì)砂土的孔隙率為若均質(zhì)砂土的孔隙率為n n, ,則則A Ar r=nA=nA, ,即得即得nvnAvAvr以后提到的滲流速度均指這種假想平均流速以后提到的滲流速度均指這種假想平均流

9、速土力學(xué)土力學(xué)4.3.1滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)滲透系數(shù)k k既是反映土的滲透能力的定量指標，也是滲流計算既是反映土的滲透能力的定量指標，也是滲流計算時必須用到的一個基本參數(shù)。時必須用到的一個基本參數(shù)。測定方法測定方法有：有：室內(nèi)和現(xiàn)場室內(nèi)和現(xiàn)場1.1.室內(nèi)滲透試驗測定滲透系數(shù)室內(nèi)滲透試驗測定滲透系數(shù)AtLhkkiAtqtQ時間時間t內(nèi)流出的水量內(nèi)流出的水量hAtQLk（1）常水頭試驗常水頭試驗整個試整個試驗過程中水頭保持不變驗過程中水頭保持不變 適用于透水性大（適用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。 土力學(xué)土力學(xué)（2）變水頭試驗變水頭試驗整個試驗過程

10、水頭隨時間變化整個試驗過程水頭隨時間變化 截面面積截面面積a任一時刻任一時刻t的水頭差為的水頭差為h，經(jīng)時段經(jīng)時段dt后，細玻璃管中水位降落后，細玻璃管中水位降落dh，在時段在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(nèi)流經(jīng)試樣的水量（式（式中中a a表示細玻璃管的內(nèi)截面積）表示細玻璃管的內(nèi)截面積）dQ=adh 在時段在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(nèi)流經(jīng)試樣的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量 adh=kAh/Ldt 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk適用于透水性差，滲透系數(shù)小適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土的粘性土 分離變量分離

11、變量 積分積分 4.3.1滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定土力學(xué)土力學(xué)（地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面）4.3.1滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定2.2.現(xiàn)場測定滲透系數(shù)現(xiàn)場測定滲透系數(shù)常用的有現(xiàn)場常用的有現(xiàn)場井孔抽水試驗井孔抽水試驗或或井孔注水試驗井孔注水試驗。對于均質(zhì)粗粒土層，現(xiàn)場測出的對于均質(zhì)粗粒土層，現(xiàn)場測出的k k值比室內(nèi)試驗得出的值要準確值比室內(nèi)試驗得出的值要準確觀測孔觀測孔r r2 2r rr r1 1drdrdhdhh h1 1h hh h2 2Q Qr r處過水斷面積為處過水斷面積為A=2A=2rh,rh,假設(shè)該處假設(shè)該處水力梯度水力梯度i i為常數(shù)，且等于地下水位為常數(shù)，且等

12、于地下水位在該處的坡度時，在該處的坡度時， 則則i=dh/dr q=kAi=2rhkdh/dr qdr/r=2khdh分離變量積分分離變量積分 212212)/ln(hhrrqk212212)/lg(3.2hhrrqk現(xiàn)場測試方法還有：孔壓靜力觸探、地球物理勘探等現(xiàn)場測試方法還有：孔壓靜力觸探、地球物理勘探等土力學(xué)土力學(xué)4.3.2滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素影響滲透系數(shù)的主要因素影響滲透系數(shù)的主要因素（1）土的粒度成分土的粒度成分 細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。愈多時，砂土

13、的滲透系數(shù)就會大大減小。 （2）土的密實度土的密實度 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。（3）土的飽和度土的飽和度 土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。含量愈多，土的滲透性愈小。土力學(xué)土力學(xué)4.3.2滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)的影響因素影響滲透系數(shù)的主要因素影響滲透系數(shù)的主要因素（5）水的溫度水的溫度 （4）土的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu) 細粒土在天然狀態(tài)下具有復(fù)雜的

14、結(jié)構(gòu)，一旦擾動，原有的過水細粒土在天然狀態(tài)下具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，一旦擾動，原有的過水通道的形態(tài)、大小及其分布都改變，通道的形態(tài)、大小及其分布都改變，k k值就不同。擾動與擊實土值就不同。擾動與擊實土樣的樣的k k值比原始的要小值比原始的要小 粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的粘滯系數(shù)愈粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。小，土的滲透系數(shù)則愈大。（6）土的構(gòu)造土的構(gòu)造 土的構(gòu)造因素對土的構(gòu)造因素對k k值的影響也很大。如，在粘性土層中有很薄值的影響也很大。如，在粘性土層中有很薄的砂土夾層的層理構(gòu)造，會使土在水平方向的的砂土夾層的層理構(gòu)造，會使土在水

15、平方向的k kh h值比垂直方向的值比垂直方向的k kv v值大許多倍。因此室內(nèi)滲透試驗采用土樣的代表性很重要。值大許多倍。因此室內(nèi)滲透試驗采用土樣的代表性很重要。土力學(xué)土力學(xué)滲流的工程問題滲流的工程問題5.2動水壓力與臨界水力梯度動水壓力與臨界水力梯度5.1第五節(jié)滲透的工程問題第五節(jié)滲透的工程問題土力學(xué)土力學(xué)5.1.1動水壓力的概念動水壓力的概念動水壓力：動水壓力：當?shù)叵滤疂B流時，對土顆粒骨架產(chǎn)生的壓力當?shù)叵滤疂B流時，對土顆粒骨架產(chǎn)生的壓力h2h1h21L沿水流方向放置兩個測壓沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差管，測壓管水面高差h土粒對水流土粒對水流的阻力應(yīng)為的阻力應(yīng)為 hAFw土樣土

16、樣面積面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力力J和土粒對水流的阻力和土粒對水流的阻力F大小相等，大小相等，方向相反方向相反 hAFJw滲流作用于單位土體的力滲流作用于單位土體的力wwiALhAALJj說明：說明：滲透力滲透力j是滲流對是滲流對單位土體單位土體的作用力，是一種體積力，其大的作用力，是一種體積力，其大小與水力梯度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為小與水力梯度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3 土力學(xué)土力學(xué)5.1.2臨界水力梯度臨界水力梯度使土開始發(fā)生流砂現(xiàn)象時的水力梯度稱為使土開始發(fā)生流砂現(xiàn)象時的水力梯度稱為臨界水力梯度臨界水力梯度i

17、icrcr則，滲流力則，滲流力 w wi i等于土的浮重度等于土的浮重度臨界水力梯度：臨界水力梯度：)1)(1(11ndedisswcr研究表明：研究表明：土的不均勻系數(shù)越大，土的不均勻系數(shù)越大，i icrcr值越小；土中細顆粒含量值越小；土中細顆粒含量高，高，i icrcr增大；土的滲透系數(shù)愈大，臨界水力梯度愈低。增大；土的滲透系數(shù)愈大，臨界水力梯度愈低。在向上的滲流力的作用下，粒間的有效應(yīng)力為零時，顆粒群在向上的滲流力的作用下，粒間的有效應(yīng)力為零時，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象。說明說明：流砂現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅取決于：流砂現(xiàn)象的產(chǎn)生

18、不僅取決于滲流力的大小滲流力的大小，同時與，同時與土的土的顆粒級配顆粒級配、密度密度及及透水性透水性等條件有關(guān)等條件有關(guān)土力學(xué)土力學(xué)5.2滲流的工程問題概述滲流的工程問題概述滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部土體一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形甚至失穩(wěn)，主要表現(xiàn)為流砂產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形甚至失穩(wěn)，主要表現(xiàn)為流砂和管涌；和管涌；二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導(dǎo)致二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導(dǎo)致土體或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)，表現(xiàn)為岸坡滑動或擋土墻等構(gòu)造土體或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)

19、，表現(xiàn)為岸坡滑動或擋土墻等構(gòu)造物整體失穩(wěn)。物整體失穩(wěn)。土力學(xué)土力學(xué)滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響土體穩(wěn)定性有顯著的影響滲透力方向與滲透力方向與重力一致，促重力一致，促使土體壓密、使土體壓密、強度提高，有強度提高，有利于土體穩(wěn)定利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使?jié)B流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相滲流力與重力方向相反，當滲透力大于土反，當滲透力大于土體的浮重度，土粒將體的浮重度，土粒將被水流沖出被水流沖出abc5.2.1流砂或流土現(xiàn)象

20、流砂或流土現(xiàn)象土力學(xué)土力學(xué)5.2.1流砂或流土現(xiàn)象流砂或流土現(xiàn)象流砂現(xiàn)象的防治原則流砂現(xiàn)象的防治原則（）（）減小或消除水頭差減小或消除水頭差 采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位面一級抽水后水位一級抽水后水位二級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水多級井點降水要求地下水位降得較深，要求地下水位降得較深，采用井點降水。在基坑周采用井點降水。在基坑周圍布置

21、一排至幾排井點，圍布置一排至幾排井點，從井中抽水降低水位從井中抽水降低水位 土力學(xué)土力學(xué)5.2.1流砂或流土現(xiàn)象流砂或流土現(xiàn)象流砂現(xiàn)象的防治原則流砂現(xiàn)象的防治原則（）（）增長滲流路徑增長滲流路徑 沿坑壁打入板樁，它一方面可沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了地下水以加固坑壁，同時增加了地下水的滲流路徑，減小水力坡降的滲流路徑，減小水力坡降鋼板樁鋼板樁（）（）平衡滲流力平衡滲流力 在向上滲流出口處地表用在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力流力透水材料透水材料（）（）土層加固處理。土層加固處理。如凍結(jié)如凍結(jié)法、注漿法等。法、注漿法等。 土力學(xué)土力學(xué)

22、5.2.2管涌和潛蝕現(xiàn)象管涌和潛蝕現(xiàn)象在水流滲透作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，在水流滲透作用下，土中的細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，滲流速度不斷增加，較粗的以至流失；隨著土的孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，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)象稱為道，造成土體塌陷，這種現(xiàn)象稱為管涌管涌。在自然界中這種現(xiàn)象叫。在自然界中這種現(xiàn)象叫潛蝕（分為機械潛蝕和化學(xué)潛蝕）潛蝕（分為機械潛蝕和化學(xué)潛蝕）。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)

23、管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞 壩體壩體滲流滲流過程演示過程演示1. 1. 在滲透水流作用下，在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失的孔隙中移動流失2. 2. 孔隙不斷擴大，滲孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶粗顆粒也相繼被水帶走走3. 3. 形成貫穿的滲流通形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷道，造成土體塌陷土力學(xué)土力學(xué)n 土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)： 粘性土（分散性土例外）屬于非粘性土（分散

24、性土例外）屬于非管涌土管涌土 無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的應(yīng)的幾何條件幾何條件和和水力條件水力條件管涌可能性的判別管涌可能性的判別土力學(xué)土力學(xué)較均勻土較均勻土（CuCu 1010） 幾何條件幾何條件 水力條件水力條件n 無粘性土管無粘性土管涌的判別涌的判別級配級配孔隙及細粒孔隙及細粒判定判定非管涌土非管涌土粗顆粒形成的粗顆粒形成的孔隙小于細顆?？紫缎∮诩氼w粒不均不均勻土勻土（Cu10Cu10）不連續(xù)不連續(xù)連續(xù)連續(xù)d d0 0=0.25d=0.25d2020細粒含量細粒含量35%35%細粒含量細粒含量25%25%細粒含量細粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3