第八章土的滲透性

第八章土的滲透性滲透性是指土體被水滲透的能力大小。滲透是指水在壓力作用下通過土中孔隙發(fā)生流動的現(xiàn)象,如圖8-1，由于上下游水位差的作用，土壩上游的水會通過壩體滲透到下游，水閘上游的水會通過滲透性是指土體被水滲透的能力大小。閘基滲透到下游。圖8-1水在土壩、閘基中的滲透由于水的滲透,會給擋水、輸水等建筑物帶來兩類問題。其一，引起水量損失，減小了經(jīng)濟效其二，水在土中滲透，會使土中應(yīng)力發(fā)生變化，改變土體的穩(wěn)定條件，甚至造益，稱為滲漏問題；成土體的破壞，稱為滲透穩(wěn)定問題。為了解決好上述問題，需要研究土的滲透性及其與工程的關(guān)系,以便為工程設(shè)計和施工提供依據(jù)。8.1達西定律8.1.1達西定律的內(nèi)容為了研究水的滲透規(guī)律，法國工程師達西做了大量的實驗，于1856年總結(jié)得出，水在土中的滲圖8-1水在土壩、閘基中的滲透由于水的滲透,會給擋水、輸水等建筑物帶來兩類問題。其一，引起水量損失，減小了經(jīng)濟效其二，水在土中滲透，會使土中應(yīng)力發(fā)生變化，改變土體的穩(wěn)定條件，甚至造益，稱為滲漏問題；成土體的破壞，稱為滲透穩(wěn)定問題。為了解決好上述問題，需要研究土的滲透性及其與工程的關(guān)系,以便為工程設(shè)計和施工提供依據(jù)。8.1達西定律8.1.1達西定律的內(nèi)容為了研究水的滲透規(guī)律，法國工程師達西做了大量的實驗，于1856年總結(jié)得出，水在土中的滲透速度與土樣兩端的水頭差成正比，與滲透長度成反比。如圖8-2，試驗結(jié)果表示為(8-1)(8-2)2cm(8-2)2cm；k――滲透系數(shù),cm/s?；騫=vA=kiA式中v 滲透速度，cm/s；3q 滲透流量，cm/s；h 土樣兩側(cè)的水頭差，cm；L土樣的滲透長度，cm；A――垂直于滲流方向的土的截面積,i——水力坡降，i=h/L，即滲流單位長度的水頭損失;k是反映土體滲透性強弱的一個指標，其物理意義是單位水力坡降的滲透速度。不同土的滲透系數(shù)見表8-1。式（8-1）或（8-2）即為著名的達西定律，是水在土體中滲流的基本規(guī)律。iih1h1h21L一2圖8-2砂土的滲透表8-1 常見土的滲透系數(shù)土 類滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫>10-1強滲透性純礫與礫混合物10-3?10-1中滲透性極細砂10-5?10-3弱滲透性粉土、砂與粘土混合物10-7?10-5極弱滲透性粘土<10-7幾乎不透水8.1.2達西定律的適用范圍達西定律是在對砂土的試驗中得到的，而且水流速度較小，處于層流狀態(tài)，如圖 8-3(a)。當(dāng)土體為粘性土?xí)r，由于受到結(jié)合水的粘滯阻力的影響，當(dāng)水力坡降較小時，不發(fā)生滲流，只有當(dāng)水力坡降達到一定數(shù)值，克服了結(jié)合水的粘滯阻力后，才能發(fā)生滲流，我們把這一水力坡降稱v?i為線性關(guān)系，符合為起始水力坡降ib，則滲透速度可表示為 v二k(i-ib)，如圖8-3v?i為線性關(guān)系，符合對于大卵石等地基中的大顆粒滲流，當(dāng)水力坡降較小時，滲流為層流,達西定律；當(dāng)水力坡降較大時，滲透速度超過某一臨界流速 vcr,v?i不再是線性關(guān)系，如圖 8-3(c)。(b)o(c)(b)o(c)圖8-3不同情況的滲透規(guī)律8.2滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個指標，也是滲透計算時用到的一個基本參數(shù)，滲透系數(shù)通常由試驗確定。8.2.1滲透系數(shù)的測定方法滲透系數(shù)的測定方法可分為室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場滲透試驗兩大類。兩者基本原理相同，均以達西定律為依據(jù)。下面僅介紹室內(nèi)試驗的兩種方法。1.常水頭試驗常水頭試驗是在整個試驗過程中水頭始終保持不變的一種方法， 適用于透水性較強的無粘性土。如圖8-48.2滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個指標，也是滲透計算時用到的一個基本參數(shù)，滲透系數(shù)通常由試驗確定。8.2.1滲透系數(shù)的測定方法滲透系數(shù)的測定方法可分為室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場滲透試驗兩大類。兩者基本原理相同，均以達西定律為依據(jù)。下面僅介紹室內(nèi)試驗的兩種方法。1.常水頭試驗常水頭試驗是在整個試驗過程中水頭始終保持不變的一種方法， 適用于透水性較強的無粘性土。如圖8-4，在圓柱形試驗筒內(nèi)裝置土樣，設(shè)土樣截面積為 A，長度為L,試驗時水頭差為 h,這三者可以直接量出，試驗時測得在時間t內(nèi)流出的水量（體積）V，則透過土樣的流量為V，由t達西定律應(yīng)有v,hkA，則tLVLk二hAt(8-3)土樣圖8-4常水頭試驗示意圖.變水頭試驗變水頭試驗是在整個試驗過程中水頭不斷變化的一種方法，適用于透水性小的粘性土。由于粘性土的透水性小，若用常水頭法，流過土樣的水量很小不易測準，或者由于需要的時間很長，會因蒸發(fā)而影響試驗精度，故采用變水頭試驗。如圖8-5，土樣上端連接一帶刻度的豎直玻璃管，其橫截面積為 a。玻璃管內(nèi)為高水位，另一側(cè)連接一溢水容器，為低水位，水位不變。試驗中玻璃管內(nèi)水位逐漸降低，記錄下時刻 X和相應(yīng)水頭g、時刻t2和相應(yīng)水頭h2。

圖8-5圖8-5變水頭試驗示意圖adh，又由達設(shè)在水頭h下，經(jīng)微小時段dt，水位下降dhadh，又由達西定律知流經(jīng)土樣的水量為 dq二k—Adt，兩者應(yīng)相等，即Ladh=k—AdtLdhkAdthaL在時段ti?t2內(nèi)，水頭由h2?hi，將上式兩端分別積分，得h2dh t2kAudth1h11aL式中加一負號的原因是，時間 t1?t2是增長的，而水頭h1?h2為減小的。h2h2L-(t2-ti)La(8-4)牡lnh(8-4)A(t2-1)h28.2.2影響滲透系數(shù)的主要因素滲透系數(shù)反映了水在土中流動的難易程度，其大小受土的顆粒級配、密實程度、水溫等因素的影響。.土粒大小與級配土粒大小與級配關(guān)系到土中孔隙的大小，對土的滲透系數(shù)影響最大。土粒越粗，孔隙越大，滲透系數(shù)就越大；級配良好時，總孔隙較小，滲透系數(shù)較小。2.土的密實度同一種土，在不同密實狀態(tài)下有不同的滲透性。土的密實度增加，孔隙比減小，土的滲透性也就減小。.水的溫度水在不同的溫度下具有不同的粘滯性，影響到滲透的速度，對同一種土在不同的溫度下所測滲透系數(shù)也就不同。為便于比較，統(tǒng)一使用標準溫度20C透系數(shù)也就不同。為便于比較，統(tǒng)一使用標準溫度20C的滲透系數(shù)，其他溫度下的滲透系數(shù)&可換算為20C的滲透系數(shù)k20。(8-5式中kT、k20――Tc和20C時土的滲透系數(shù);T、 20T、 20TC和20C時水的動力粘滯系數(shù),—值見表8-2。20表表8-2T/ 20與溫度的關(guān)系溫度(C)5.0i5.5i (.0i (.5.07.5，8.0!8.5.09.590.010.5111.0ii1111n20.501.478.455.435.414.393.373.353.334.315.297.279.261溫度ii1111(C)1.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5ii1111.243.227.211.194.176.163.148.133.119.104.090.077.06620溫度ii>22222(C)8.08.59.09.50.00.51.01.52.02.53.04.05.0ii()0)()')000n20.050.038.025.012.000.988.976.964.953.943.932.910.890溫度t 2>:>:5/s:33(C)6.07.08.09.00.01.02.03.04.05.0()(1()(1()()()()')T|.870.850.833.815.798.781.765.750.735.72020

8.3滲透力與滲透變形8.3.1滲透力1?滲透力的概念如圖8-6，在一圓筒內(nèi)放置土樣，兩側(cè)分別作用水頭 、h2，由于水頭差的作用，水由左側(cè)滲透至右側(cè)。假設(shè)沒有土體存在，則水會很快通過，而由于土的存在，使流速大大減小，說明土體對水流有很大的阻力，反之，水流給土體一作用力，這一水流對土體的作用力稱為滲透力 j，通常以土體單位體積上受到的力來表示。h1h1hJh2“，'■?rba■.J??■■?=圖8-6滲透力及其計算.滲透力三要素如圖8-6，水頭hi、h2在土樣兩端產(chǎn)生的壓力分別為 R=%hiA,P2^whzA，土樣體積為AL,則單位體積土體上的滲透力為?_P_P2^hiA-^whzAhj—y_丫_?丫“百二AL二丁w「w即j=iw (8-6)滲透力的大小為iw，作用方向與滲流方向一致，作用于整個土體當(dāng)中，是一種體積力，單位3為kN/m。3.作用效果滲透力的作用效果與滲流方向有關(guān)。當(dāng)滲流自上而下時，因與重力同向，相當(dāng)于加大了土的重量，對穩(wěn)定有利；反之自下向上滲流，滲透力減小了土體的有效重量，對穩(wěn)定不利。如土壩地基上游側(cè)利于穩(wěn)定，而下游側(cè)不利于穩(wěn)定。8.3.2滲透變形1.滲透變形的概念滲透力改變了土體原有的應(yīng)力狀態(tài)，達到一定限度后，滲透水流會把部分土體或土顆粒沖出、帶走，這種現(xiàn)象稱為滲透變形。滲透變形使得局部土體發(fā)生位移，位移達到一定的程度，土體將發(fā)

生失穩(wěn)破壞。.滲透變形的基本型式滲透變形一般有流土和管涌兩種基本型式。流土是指在滲透力的作用下，土體表面某一部分土體整體被水流沖走的現(xiàn)象。管涌是指土中小顆粒在大顆?？紫吨幸苿佣粠ё叩默F(xiàn)象。流土發(fā)生在土體表面，不發(fā)生在土體內(nèi)部，而管涌既可發(fā)生于土體表面又可發(fā)生在土體內(nèi)部。流土主要發(fā)生在細砂、粉砂及粉土等土層中，而管涌多發(fā)生在顆粒大小懸殊又缺少中間顆粒的土體中。?臨界水力坡降使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降，稱為臨界水力坡降。下面介紹流土的臨界水力坡降，如圖8-7，滲透變形試驗中，左邊貯水器可上下移動，貯水器中水經(jīng)土樣由右邊溢水口溢出，當(dāng)貯水器由低往高提升時，滲透力不斷加大，貯水器較低時，不發(fā)生滲透變形，很高時則發(fā)生滲透變形。TOC\o"1-5"\h\z某一高度時，剛好發(fā)生滲透變形，這一高度對應(yīng)的水力坡降即為臨界水力坡降，此時 j=oG—1 G—1 G—1由于j=iw，心=一1w，令門‘=丿」w，則i=一1，此時的i即為臨界水力坡降,\o"CurrentDocument"1+e 1+e 1+e用icr表示，即crG-11ecrG-11e(8-7)LnJh貯丄水 —!器 —r三L土丿樣圖8-7滲透變形試驗可以看出，G與土粒的比重可以看出，G與土粒的比重Gs、孔隙比e有關(guān)，通過實際產(chǎn)生的水力坡降i與臨界水力坡降cr的比較，便可知是否發(fā)生滲透變形。i：icr時，不發(fā)生滲透變形;iicr時，發(fā)生滲透變形；i=icr時，土體處于臨界狀態(tài)。

icricr除以安全系數(shù)（一般取2?3）,作為允許的水力坡降［i］，設(shè)計上要求將實際的水力坡降控制在允許的水力坡降之內(nèi)，即 i乞［i］。.防止?jié)B透變形的措施hG_1由上述可知發(fā)生滲透變形的條件為 i?icr，即-.二1，要想不發(fā)生滲透變形，需要使L1+ehG_1-::廠1，所以可以通過提高L、G或減小e來實現(xiàn)。L1e（1）提高滲流出溢處土體抵抗?jié)B透變形的能力， 常在滲流出溢處加蓋壓重或設(shè)置反濾層等； （2）設(shè)置水平或垂直防滲體，使?jié)B流長度 L增大，從而降低水力坡降，如圖 8-8、圖8-9。圖8-8土壩水平粘土鋪蓋及堆石壓重V r1 /水啊底板asX厶門:氣畑￡"Firm1'———y'反灘層圖8-9水閘垂直板樁及反濾層、蓋重小結(jié)水在壓力作用下，在土體中要發(fā)生滲透（也稱作滲流） ，這種滲透作用會帶來滲漏問題和滲透穩(wěn)定問題。達西定律是土中滲流的基本規(guī)律，運用達西定律可以求得土中的滲流量。其中滲透系數(shù)需經(jīng)試驗測定，室內(nèi)試驗方法有常水頭試驗和變水頭試驗，適用于不同透水性的土體。水在土中的滲透產(chǎn)生了滲透力，會改變土中的應(yīng)力狀態(tài)，可能形成滲透變形，滲透變形的基本型式為流土和管涌，兩者發(fā)生條件不同。對于可能發(fā)生滲透變形的情況，應(yīng)加以判別，判別不穩(wěn)定時，需采取工程措施加以防止。

練習(xí)題土的滲透性對工程有何影響？由V=ki