第一章土的滲透性

第一章土的滲透性第一節(jié)概述碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)能量差土土顆粒土中水滲流滲透特性強(qiáng)度特性變形特性互相關(guān)聯(lián)互相影響土力學(xué)重要課題滲流滲透性土具有被水、液體等透過(guò)的性質(zhì)水、液體等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤(rùn)線(xiàn)滲流問(wèn)題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲透力？工程實(shí)例土的滲透性研究滲流量滲透破壞滲流控制三個(gè)問(wèn)題工程應(yīng)用的需要透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流：滲流問(wèn)題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？工程實(shí)例第一節(jié)概述滲流問(wèn)題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流：漏斗狀潛水面Q降雨入滲引起的滑坡滲流問(wèn)題：1.滲透力？2.入滲過(guò)程？事故實(shí)例第二節(jié)土的滲流性一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三．滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素能量方程滲流速度的規(guī)律滲透特性四．層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)ABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動(dòng)，應(yīng)滿(mǎn)足液體流動(dòng)的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程一、滲流中的水頭與水力坡降第二節(jié)土的滲流性總水頭（伯努利定理）：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭p/w：水體的壓力勢(shì)能（p孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：滲流問(wèn)題的水頭也稱(chēng)測(cè)管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處ABLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線(xiàn)

A點(diǎn)總水頭：水力梯度ABLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線(xiàn)

B點(diǎn)總水頭：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力梯度i：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失滲流速度隨水力梯度變化土中的滲流基本處于層流狀態(tài)，即：LAh1h2QQ透水石h二、滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流或1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果:試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測(cè)變量:

h2，V，t達(dá)西定律2.達(dá)西定律滲透定律:在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。注意：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vr：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>Arq＝VA＝VrArk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱(chēng)為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時(shí)，達(dá)西定律不再適用適用條件ivovcrivib層流（線(xiàn)性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土兩種特例粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降

i>ib,v=k(i-ib

)礫土密實(shí)粘土三、滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理：試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測(cè)變量:滲水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=ki適用土類(lèi)：透水性較大的砂性土hL土樣AQ試驗(yàn)條件:Δh變化

A，a，L=const

量測(cè)變量:h，t適用土類(lèi)：透水性較小

的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測(cè)管開(kāi)關(guān)a室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭測(cè)管開(kāi)關(guān)在tt+dt時(shí)段內(nèi)：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt連續(xù)性條件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adthdhtt+dt室內(nèi)試驗(yàn)方法-變水頭試驗(yàn)法選擇幾組量測(cè)結(jié)果，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法3－抽水試驗(yàn)抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗(yàn)條件:Q=const

量測(cè)變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)觀察井地下水位≈

測(cè)壓管水面r抽水量Q=qtr1r2h1h2井不透水層dhdrh地下水位≈

測(cè)壓管水面計(jì)算公式：取過(guò)水?dāng)嗝鍭=2rhi=dh/dr土的滲透系數(shù)可以通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。各種土的滲透系數(shù)參考值（cm/s）土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，K值愈大。因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，隨細(xì)粒含量增加，K值急劇下降。土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.影響因素是單位土體中孔隙體積的直接度量土愈密實(shí)，孔隙比愈小，K值愈小。土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比（密實(shí)度）土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造一般情況下飽和度愈低，K值愈小。因?yàn)榈惋柡屯恋目紫吨写嬖谳^多氣泡會(huì)減小過(guò)水面積，甚至賭塞細(xì)小孔道。土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造擾動(dòng)土樣比原狀土樣K值小粘性土層中有很薄的砂土夾層，常使得k水平﹥>k垂直土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級(jí)配孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造水的動(dòng)力粘滯系數(shù)：溫度，水粘滯性，k土的性質(zhì)水的溫度粒徑大小及級(jí)配孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造（JTJ051-93）采用標(biāo)準(zhǔn)溫度200下的滲透系數(shù)：1.土粒大小與級(jí)配

細(xì)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(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。

2.土的密實(shí)度

3.水的動(dòng)力粘滯系數(shù)

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量

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。影響滲透系數(shù)的因素四、層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)天然土層多呈層狀第二節(jié)土的滲透性多個(gè)土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層等效滲透系數(shù):

已知條件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi達(dá)西定律:

等效條件:水平滲流kxLH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kzvi=ki(Δhi/Hi)

已知條件:達(dá)西定律:

等效條件:v=kz(Δh

/H

)等效滲透系數(shù):豎直滲流H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水垂直滲流已知條件:算例說(shuō)明按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz第二節(jié)土的滲透性水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定層狀地基的等效滲透系數(shù)水頭與水力坡降滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)總水頭=位置水頭+壓力水頭水頭是滲流的驅(qū)動(dòng)力達(dá)西定律滲透系數(shù)、滲透速度達(dá)西定律的適用條件

常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)影響因素水平等效滲透系數(shù)垂直等效滲透系數(shù)小結(jié)滲流土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問(wèn)題土體的整體穩(wěn)定問(wèn)題管涌、流土等水庫(kù)塌岸邊坡滑動(dòng)土粒流失或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)土體的滑動(dòng)第三節(jié)滲透破壞與控制Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力j：滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。一、滲透力（動(dòng)水力）試驗(yàn)觀察第三節(jié)滲透破壞與控制滲透力-試驗(yàn)觀察h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流滲透力j：體積力滲透力j：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力Gw

=vvw+vs

w

＝Vw=LAwwP1

=whwAwP2

=wh1AwP1

+Gw+

T

=P2j=T=wh/L=wi水柱整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab

GwTwhwAw+LA

w

w+TLAw=wh1Aw

T

=TLAw滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時(shí)的水力坡降稱(chēng)為臨界水力坡降icr，它是土體開(kāi)始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力坡降：滲透力-受力分析滲透力-受力分析wi≥

臨界水力坡降icr=h/L=/w由于icr取決于土的物理性質(zhì)h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力的性質(zhì)物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大?。?/p>

j=wi方向：與水力坡降方向一致作用對(duì)象：土骨架土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱(chēng)為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見(jiàn)類(lèi)型基本類(lèi)型：管涌流土接觸流土接觸沖刷滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式滲透變形-流土流土：在向上的滲透力作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類(lèi)型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實(shí)度有關(guān)壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

管涌：在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流1.在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失2.孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類(lèi)歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降

i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)

i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)

i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設(shè)計(jì)：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無(wú)粘性土，只要滿(mǎn)足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：土是否會(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別級(jí)配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細(xì)顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細(xì)粒含量>35%細(xì)粒含量<25%細(xì)粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土過(guò)渡型土非管涌土非管涌土管涌土過(guò)渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)。可用管涌臨界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土過(guò)渡管涌水力坡降級(jí)配連續(xù)土級(jí)配不連續(xù)土破壞坡降icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）中國(guó)學(xué)者Cu>20時(shí),icr=0.25-0.30，考慮安全系數(shù)后：

[i]=0.10-0.15透水層不透水層防滲體壩體浸潤(rùn)線(xiàn)滲透變形的防治措施減小i：上游延長(zhǎng)滲徑減小水壓差增大[i]：下游增加透水

蓋重改善幾何條件：滲流溢出部位設(shè)反濾層等

改善水力條件：減小水力梯度防治流土防治管涌