土的滲透性與滲透問題二

主要內(nèi)容概述§2.1達(dá)西定律§2.2滲透系數(shù)及其確定方法§2.3滲透力與滲透變形第二章土的滲透性和滲透問題§2.4滲流工程問題與處理措施土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

返回本章§2.1達(dá)西定律一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比滲透試驗(yàn)播放v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

返回本章二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力梯度達(dá)西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線簡化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實(shí)粘土§2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、滲透試驗(yàn)（室內(nèi)）時(shí)間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程中水頭保持不變適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

返回本章2.變水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化

截面面積a任一時(shí)刻t的水頭差為h，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=－adh

在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土

二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配

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。T、20分別為T℃和20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，可查表三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個(gè)土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和

達(dá)西定律整個(gè)土層與層面平行的等效滲透系數(shù)

平均滲透系數(shù)2.垂直滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個(gè)土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

垂直滲透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入整個(gè)土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)

四、例題分析【例】

設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)

【解答】已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時(shí)的滲透系數(shù)

§2.3滲滲透力(動(dòng)水壓力)與滲透變形一、滲透力(動(dòng)水力)和臨界水力坡降降(梯度)1.滲透力——滲透水流施加于于單位土粒上的的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置置兩個(gè)測壓管，，測壓管水面高高差h水流流經(jīng)這段土土體，受到土顆顆粒的阻力，阻阻力引起的水頭頭損失為h土粒對水流的阻阻力應(yīng)為土樣面積根據(jù)牛頓第三定定律，試樣的總總滲流力J和土粒對水流的的阻力F大小相等，方向向相反返回本章滲流作用于單位位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一一種體積力，其其大小與水力坡坡降成正比，作作用方向與滲流流方向一致，單單位為kN/m3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abc滲透力方向與重重力一致，促使使土體壓密、強(qiáng)強(qiáng)度提高，有利利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水水平，使土粒產(chǎn)產(chǎn)生向下游移動(dòng)動(dòng)的趨勢，對穩(wěn)穩(wěn)定不利滲流力與重力方方向相反，當(dāng)滲滲透力大于土體體的有效重度，，土粒將被水流流沖出2.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生生滲透變形的水水力坡降GJ當(dāng)土顆粒的重力力與滲透力相等等時(shí)，土顆粒不不受任何力作用用，好像處于懸懸浮狀態(tài)，這時(shí)時(shí)的水力坡降即即為臨界水力坡坡降或在工程計(jì)算中，，將土的臨界水水力坡降除以某某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力力坡降[i]。設(shè)計(jì)時(shí)，為保證證建筑物的安全全，將滲流逸出出處的水力坡降降控制在允許坡坡降[i]內(nèi)二、滲透變形滲透水流將土體體的細(xì)顆粒沖走走、帶走或局部部土體產(chǎn)生移動(dòng)動(dòng)，導(dǎo)致土體變變形—————滲透變形問題（（流土，管涌））1.流土——在滲流作用下，，局部土體表面面隆起，或某一一范圍內(nèi)土粒粒群同時(shí)發(fā)生移移動(dòng)的現(xiàn)象流土發(fā)生于地基基或土壩下游滲滲流出逸處，不不發(fā)生于土體內(nèi)內(nèi)部。開挖基坑坑或渠道時(shí)常遇遇到的流砂現(xiàn)象象，屬于流土破破壞。細(xì)砂、粉粉砂、淤泥等較較易發(fā)生流土破破壞2.管涌——在滲流作作用下，，無粘性性土中的的細(xì)小顆顆粒通過過較大顆顆粒的孔孔隙，發(fā)發(fā)生移動(dòng)動(dòng)并被帶帶出的現(xiàn)現(xiàn)象土體在滲滲透水流流作用下下，細(xì)小小顆粒被被帶出，，孔隙逐逐漸增大大，形成成能穿越越地基的的細(xì)管狀狀滲流通通道，掏掏空地基基或壩體體，使其其變形或或失穩(wěn)。。管涌既既可以發(fā)發(fā)生在土土體內(nèi)部部，也可可以發(fā)生生在滲流流出口處處，發(fā)展展一般有有個(gè)時(shí)間間過程，，是一種種漸進(jìn)性性的破壞壞3.流土與管管涌的判判別——滲透變形形的形式式與土的的類別、、顆粒級級配以及及水力條條件等因因素有關(guān)關(guān)粘性土由由于粒間間具有粘粘聚力，，粘結(jié)較較緊，一一般不出出現(xiàn)管涌涌而只發(fā)發(fā)生流土土破壞；；一般認(rèn)認(rèn)為不均均勻系數(shù)數(shù)Cu>10的勻粒砂砂土，在在一定的的水力梯梯度下，，局部地地區(qū)較易易發(fā)生流流土破壞壞對Cu>10的砂和礫礫石、卵卵石，分分兩種情情況:1.當(dāng)孔隙中中細(xì)粒含含量較少少（小于于30%）時(shí)，由由于阻力力較小，，只要較較小的水水力坡降降，就易易發(fā)生管管涌2.如孔隙中中細(xì)粒含含量較多多，以至至塞滿全全部孔隙隙（此時(shí)時(shí)細(xì)料含含量約為為30%－35%），此時(shí)時(shí)的阻力力最大，，一般不不出現(xiàn)管管涌而會(huì)會(huì)發(fā)生流流土現(xiàn)象象三、例題題分析【例】某土壩地地基土的的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流流出口處處經(jīng)計(jì)算算水力坡坡降i為0.2，若取安安全系數(shù)數(shù)Fs為2.5，試問該該土壩地地基出口口處土體體是否會(huì)會(huì)發(fā)生流流土破壞壞【解答】臨界水力力坡降由于實(shí)際際水力坡坡降i<[i]，故土壩地地基出口口處土體體不會(huì)發(fā)發(fā)生流土土破壞允許水力力坡降§2.4滲滲流工程程問題與與處理措措施一、滲流流工程問問題1.地下水的的浮托作作用地下水不不僅對水水位以下下的土體體產(chǎn)生靜靜水壓力力和浮托托力，并并對建筑筑物基礎(chǔ)礎(chǔ)產(chǎn)生浮浮托力2.地下水的的潛蝕作作用在施工降降水等活活動(dòng)過程程中產(chǎn)生生水頭差差，在滲滲透力作作用下，，土顆粒粒受到?jīng)_沖刷，將將細(xì)顆粒粒沖走，，破壞土土的結(jié)構(gòu)構(gòu)。通常產(chǎn)生生于粉細(xì)細(xì)砂、粉粉土地層層中3.流砂流砂在工工程施工工中能造造成大量量的土體體流動(dòng)，，使地表表塌陷或或建筑物物的地基基破壞，，給施工工帶來很很大的困困難，影影響建筑筑工程的的穩(wěn)定。。通常易易在粉細(xì)細(xì)砂和粉粉土地層層中產(chǎn)生生，在地地下水位位以下的的基坑開開挖、埋埋設(shè)地下下管道、、打井等等工程活活動(dòng)中常常出現(xiàn)返回本章章4.基坑突涌涌當(dāng)基坑下下部有承承壓水層層時(shí)，開開挖基坑坑減小了了底板隔隔水層的的厚度，，當(dāng)隔水水層較薄薄經(jīng)受不不住承壓壓水頭壓壓力，承承壓水頭頭壓力就就會(huì)沖毀毀基坑底底板，這這種現(xiàn)象象稱為基坑突涌涌二、防滲滲處理措措施1.水工建筑筑物滲流流處理措措施水工建筑筑物的防防滲工程程措施一一般以“上堵下疏疏”為原則，，上游截截滲、延延長滲徑徑，下游游通暢滲滲透水流流，減小小滲透壓壓力，防防止?jié)B透透變形①垂直截滲滲主要目的的:延長滲徑徑，降低低上、下下游的水水力坡度度，若垂垂直截滲滲能完全全截?cái)嗤竿杆畬?，，防滲效效果更好好。垂直直截滲墻墻、帷幕幕灌漿、、板樁等等均屬于于垂直截截滲②設(shè)置水平平鋪蓋上游設(shè)置置水平鋪鋪蓋，與與壩體防防滲體連連接，延延長了水水流滲透透路徑粘土鋪蓋③設(shè)置反反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)置反濾濾層，既既可通暢暢水流，，又起到到保護(hù)土土體、防防止細(xì)粒粒流失而而產(chǎn)生滲滲透變形形的作用用。反濾層可可由粒徑徑不等的的無粘性性土組成成，也可可由土工工布代替替，上圖圖為某河河堤基礎(chǔ)礎(chǔ)加筋土土工布反反濾層④排水減壓壓粘性土含水層減壓井為減小下下游滲透透壓力，，在水工工建筑物物下游、、基坑開開挖時(shí)，，設(shè)置減減壓井或或深挖排排水槽2.基坑開挖挖防滲措措施①工程降水水采用明溝溝排水和和井點(diǎn)降降水的方方法人工工降低地地下水位位在基坑內(nèi)內(nèi)（外））設(shè)置排排水溝、、集水井井，用抽抽水設(shè)備備將地下下水從排排水溝或或集水井井排出原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點(diǎn)降水要求地下下水位降降得較深深，采