第二章-土的滲透性及滲透穩(wěn)定(確定)

土的滲透性及滲透穩(wěn)定第二章2010.9.6第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動滲流水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性土體被水透過的性能滲透特性強度特性變形特性能量差滲漏

(滲流量問題)

因滲透而引起的水量損失，影響閘壩蓄水等經(jīng)濟效益。如：壩、圍堰、水庫、集水建筑物等。

滲透穩(wěn)定(滲透變形問題):

土的穩(wěn)定性受到滲流破壞，土體顆粒流失，關(guān)系工程成敗。如：水工建筑物地基、擋水建筑物等。滲流控制問題：

當滲流量或滲透變形不滿足設(shè)計要求時，要研究如何采取工程措施進行滲流控制。土的滲透性研究主要包括以下三個方面滲流模型：1、不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；

2、不考慮土體中顆粒的影響，認為孔隙和土粒所占的空間之和均為滲流所充滿。第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滑坡潰壩管涌防滲墻防滲墻射水法施工防滲墻管涌的治理反濾倒?jié)B反濾圍井蓄水反壓滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲水壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲流滑坡滲流滑坡第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基坑等地下施工邊坡滲流第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定§2.1土的毛細性毛細現(xiàn)象：土中的水在表面張力作用下沿細的孔隙向上以及向其他地方移動的現(xiàn)象。毛細水：細微孔隙中的水一、土層中的毛細水帶——土層中由于毛細現(xiàn)象所潤濕的范圍第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定土中毛細現(xiàn)象正常毛細水帶（毛細飽和帶）位于毛細水帶的下部，與地下潛水連通。隨地下水位的升降而做相應的移動2.毛細網(wǎng)狀水帶位于毛細水帶的中部3.毛細懸掛水位于毛細水帶的上部§2-1土的毛細性

第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定二、毛細壓力第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定§2-1土的毛細性

毛細壓力：土粒接觸面上存在毛細水，由于土粒表面的潤濕作用，使毛細水形成彎面。在水和空氣的分界面上產(chǎn)生表面張力是沿彎液面切線方向作用，它促使土?；ハ嗫繑n，在土粒接觸面上產(chǎn)生壓力，稱為毛細壓力假定α=0,毛細壓力2πrTcosα+ucπr2=0對砂土強度的影響:毛細邊角水,假凝聚力§2-2達西定律及其適用范圍

一．Darcy定律二．Darcy定律的適用范圍水在土中滲透的基本規(guī)律第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定h1h2L§2-2達西定律及其適用范圍

一.Darcy定律Darcy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。k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day水力坡降：第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定注意：AAvV：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝VA＝VsAv§2-2達西定律及其適用范圍

第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定二.達西定律適用條件上限：粗粒土v>vcr①礫石類土中的滲流不符合達西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s可以用粒徑來描述Darcy定律的范圍ivovcrivoi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土

兩種特例下限：粘性土致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)§2-2達西定律及其適用范圍

第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定室內(nèi)試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗一.滲透試驗簡介

§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定1.室內(nèi)試驗方法1—常水頭試驗法一.滲透試驗簡介

結(jié)果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

Q，t適用土類：透水性較大的砂性土§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定2.室內(nèi)試驗方法2—變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh

，t透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土一.滲透試驗簡介

§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定tt+Δt結(jié)果整理:理論依據(jù):t時刻：

ΔhΔtdh流入量：流出量：連續(xù)性條件：選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計算相應的k，取平均值一.滲透試驗簡介

§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t3.室內(nèi)試驗方法不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土一.滲透試驗簡介

§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定4.

野外測定方法－抽水試驗和注水試驗法優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點：費用較高，耗時較長實驗方法：理論依據(jù)：一.滲透試驗簡介

§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定二.滲透系數(shù)的應用通過室內(nèi)滲透試驗（常水頭、變水頭）測定。滲透系數(shù)可用做判斷透水強弱，選擇壩體填筑土料。強透水層中等透水層相對不透水層K>10-2cm/sK=10-3~10-5cm/sK<10-6cm/s卵石、圓礫等用于填筑壩體的防滲部位?！?-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定影響因素粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)三.滲透系數(shù)的影響因素水的動力粘滯系數(shù)飽和度（含氣量）—對k影響很大，封閉氣泡§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定等效滲透系數(shù)確立各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀四.層狀地基的等效滲透系數(shù)§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)豎直滲流:v承壓水條件:等效滲透系數(shù):vi=ki

(Δhi/Hi)§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定四.層狀地基的等效滲透系數(shù)§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定算例說明

按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)層厚加權(quán)平均，由較小值控制四.層狀地基的等效滲透系數(shù)§2-3滲透系數(shù)及其確定方法第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定§2-4滲流作用下土的應力狀態(tài)

一、靜水條件下土的有效應力與中性應力1、總應力作用在截面上水柱和土的重量為：

a點的應力：

2、中性應力a點孔隙內(nèi)的水所具有的靜水壓力為：

第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定3.有效應力a點除了作用有孔隙水壓力外，還有土顆粒之間傳遞的有效應力，它直接由土顆粒的接觸點傳遞壓力，完全作用在土體骨架上而影響骨架土粒的結(jié)構(gòu)變形，故稱為有效應力。§2-4滲流作用下土的應力狀態(tài)第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定二、滲流作用下土的有效應力水通過土層向下滲流水通過土層向上滲流1、水通過土層向下滲流水面,保持不變動水壓力總應力

有效應力

滲流作用鉛直向下時，能使土的有效應力增加。2、水通過土層向上滲流滲流作用鉛直向上時，則滲流引起的孔隙水壓力可使土的有效應力減小，影響土的滲透穩(wěn)定?！?-4滲流作用下土的應力狀態(tài)第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定三、滲透力試驗觀察h=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。h>0水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。滲透力j

——滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透變形滲透力h1hh222hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab11§2-4滲流作用下土的應力狀態(tài)第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定A=1則土粒對水流的阻力為：

根據(jù)力的平衡，滲流作用于試樣的總滲透力J應和土粒對水流的阻力F大小相等方向相反：滲透力:h1hh222hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab11§2-4滲流作用下土的應力狀態(tài)第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定滲透力的性質(zhì)物理意義：滲流作用于單位土體的力（kN/m），是滲流對土粒的作用力，為體積力。j=γwi大?。悍较颍号c滲流方向一致作用對象：土骨架§2-4滲流作用下土的應力狀態(tài)第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定基本類型

一、滲透變形流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件防治措施§2-5滲透變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定土粒間不存在接觸應力，處于即將被浮動的臨界狀態(tài)。當時，土粒被滲流夾帶向上浮動?？倽B透力：浮重：當時，，

有效應力：

滲透變形的危害：a、土粒被滲流帶走，地基中形成過通穴道，上部結(jié)構(gòu)倒塌；b、滑坡?！?-5滲流變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1、流土滲流原因：在滲流作用下，粘性土或無粘性土體中某一范圍內(nèi)的顆粒或顆粒群同時發(fā)生流動的現(xiàn)象。下游的土坡局部面積出現(xiàn)被滲流帶走并導致坡面出現(xiàn)局部滑動。

當i≥icr時,發(fā)生滲透破壞。流砂產(chǎn)生的原因：1.水在土中自下而上滲流

2.J≥W二、滲透變形的基本形式（滲透破壞）（一）、基本形式§2-5滲流變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定2、管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，無粘性土土體中的細小顆粒，通過粗大顆粒的孔隙，發(fā)生移動或被水流帶出的現(xiàn)象。管涌管涌破壞（一）、基本形式§2-5滲流變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(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程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口§2-5滲流變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定（二）形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流土經(jīng)驗判斷：§2-5滲流變形第二章土的滲透性及滲透穩(wěn)定a、粘性土及的勻粒砂土，在一定水力坡降下，易發(fā)生流土。b、級配不連續(xù)

，細粒

，管涌；

細粒

，流土。

c、正常級配

，

，管涌；

，流土。