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(guò)土中孔隙發(fā)生流動(dòng)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(huì)通過(guò)壩體滲透到下游，水閘上游的水會(huì)通過(guò)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(huì)給擋水、輸水等建筑物帶來(lái)兩類問(wèn)題。其一，引起水量損失，減小了經(jīng)濟(jì)效其二，水在土中滲透，會(huì)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(wèn)題；成土體的破壞，稱為滲透穩(wěn)定問(wèn)題。為了解決好上述問(wèn)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(jì)和施工提供依據(jù)。8.1達(dá)西定律8.1.1達(dá)西定律的內(nèi)容為了研究水的滲透規(guī)律，法國(guó)工程師達(dá)西做了大量的實(shí)驗(yàn)，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(huì)給擋水、輸水等建筑物帶來(lái)兩類問(wèn)題。其一，引起水量損失，減小了經(jīng)濟(jì)效其二，水在土中滲透，會(huì)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(wèn)題；成土體的破壞，稱為滲透穩(wěn)定問(wèn)題。為了解決好上述問(wèn)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(jì)和施工提供依據(jù)。8.1達(dá)西定律8.1.1達(dá)西定律的內(nèi)容為了研究水的滲透規(guī)律，法國(guó)工程師達(dá)西做了大量的實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)度成反比。如圖8-2，試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)度的水頭損失;k是反映土體滲透性強(qiáng)弱的一個(gè)指標(biāo)，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(jiàn)表8-1。式（8-1）或（8-2）即為著名的達(dá)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(jiàn)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(qiáng)滲透性純礫與礫混合物10-3?10-1中滲透性極細(xì)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(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律是在對(duì)砂土的試驗(yàn)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(shí)，不發(fā)生滲流，只有當(dāng)水力坡降達(dá)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(duì)于大卵石等地基中的大顆粒滲流，當(dāng)水力坡降較小時(shí)，滲流為層流,達(dá)西定律；當(dāng)水力坡降較大時(shí)，滲透速度超過(guò)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(cè)定滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個(gè)指標(biāo)，也是滲透計(jì)算時(shí)用到的一個(gè)基本參數(shù)，滲透系數(shù)通常由試驗(yàn)確定。8.2.1滲透系數(shù)的測(cè)定方法滲透系數(shù)的測(cè)定方法可分為室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)兩大類。兩者基本原理相同，均以達(dá)西定律為依據(jù)。下面僅介紹室內(nèi)試驗(yàn)的兩種方法。1.常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中水頭始終保持不變的一種方法， 適用于透水性較強(qiáng)的無(wú)粘性土。如圖8-48.2滲透系數(shù)的測(cè)定滲透系數(shù)k是綜合反映土體滲透能力的一個(gè)指標(biāo)，也是滲透計(jì)算時(shí)用到的一個(gè)基本參數(shù)，滲透系數(shù)通常由試驗(yàn)確定。8.2.1滲透系數(shù)的測(cè)定方法滲透系數(shù)的測(cè)定方法可分為室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)兩大類。兩者基本原理相同，均以達(dá)西定律為依據(jù)。下面僅介紹室內(nèi)試驗(yàn)的兩種方法。1.常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中水頭始終保持不變的一種方法， 適用于透水性較強(qiáng)的無(wú)粘性土。如圖8-4，在圓柱形試驗(yàn)筒內(nèi)裝置土樣，設(shè)土樣截面積為 A，長(zhǎng)度為L(zhǎng),試驗(yàn)時(shí)水頭差為 h,這三者可以直接量出，試驗(yàn)時(shí)測(cè)得在時(shí)間t內(nèi)流出的水量（體積）V，則透過(guò)土樣的流量為V，由t達(dá)西定律應(yīng)有v,hkA，則tLVLk二hAt(8-3)土樣圖8-4常水頭試驗(yàn)示意圖.變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(guò)土樣的水量很小不易測(cè)準(zhǔn)，或者由于需要的時(shí)間很長(zhǎng)，會(huì)因蒸發(fā)而影響試驗(yàn)精度，故采用變水頭試驗(yàn)。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(yàn)中玻璃管內(nèi)水位逐漸降低，記錄下時(shí)刻 X和相應(yīng)水頭g、時(shí)刻t2和相應(yīng)水頭h2。

圖8-5圖8-5變水頭試驗(yàn)示意圖adh，又由達(dá)設(shè)在水頭h下，經(jīng)微小時(shí)段dt，水位下降dhadh，又由達(dá)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(shí)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(fù)號(hào)的原因是，時(shí)間 t1?t2是增長(zhǎng)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(dòng)的難易程度，其大小受土的顆粒級(jí)配、密實(shí)程度、水溫等因素的影響。.土粒大小與級(jí)配土粒大小與級(jí)配關(guān)系到土中孔隙的大小，對(duì)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(jí)配良好時(shí)，總孔隙較小，滲透系數(shù)較小。2.土的密實(shí)度同一種土，在不同密實(shí)狀態(tài)下有不同的滲透性。土的密實(shí)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(duì)同一種土在不同的溫度下所測(cè)滲透系數(shù)也就不同。為便于比較，統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)溫度20C透系數(shù)也就不同。為便于比較，統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)土的滲透系數(shù);T、 20T、 20TC和20C時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù),—值見(jiàn)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(méi)有土體存在，則水會(huì)很快通過(guò)，而由于土的存在，使流速大大減小，說(shuō)明土體對(duì)水流有很大的阻力，反之，水流給土體一作用力，這一水流對(duì)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(lái)表示。h1h1hJh2“，'■?rba■.J??■■?=圖8-6滲透力及其計(jì)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(gè)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(shí)，因與重力同向，相當(dāng)于加大了土的重量，對(duì)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(duì)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(dá)到一定限度后，滲透水流會(huì)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(dá)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?jī)煞N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?dòng)而被帶走的現(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(xì)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(kāi)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(yàn)中，左邊貯水器可上下移動(dòng)，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(shí)，滲透力不斷加大，貯水器較低時(shí)，不發(fā)生滲透變形，很高時(shí)則發(fā)生滲透變形。TOC\o"1-5"\h\z某一高度時(shí)，剛好發(fā)生滲透變形，這一高度對(duì)應(yīng)的水力坡降即為臨界水力坡降，此時(shí) j=oG—1 G—1 G—1由于j=iw，心=一1w，令門‘=丿」w，則i=一1，此時(shí)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(yàn)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(guò)實(shí)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(shí)，不發(fā)生滲透變形;iicr時(shí)，發(fā)生滲透變形；i=icr時(shí)，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(jì)上要求將實(shí)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(guò)提高L、G或減小e來(lái)實(shí)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(zhǎng)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(huì)帶來(lái)滲漏問(wèn)題和滲透穩(wěn)定問(wèn)題。達(dá)西定律是土中滲流的基本規(guī)律，運(yùn)用達(dá)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(yàn)測(cè)定，室內(nèi)試驗(yàn)方法有常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)，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(huì)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(duì)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(shí)，需采取工程措施加以防止。

練習(xí)題土的滲透性對(duì)工程有何影響？由V=ki