土力學：第三章 土的滲透性和滲流問題

土的滲透性和滲流問題

第三章多孔介質(zhì)滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性概述土顆粒土中水滲流3壩身壩基中的滲流板樁維護下的基坑滲流溝渠滲流水井滲流圖1滲流示意圖4滲流量問題:

基坑開挖或施工圍堰的滲水及排水量計算、土壩滲水量計算、水井供水量或排水量計算等。滲透破壞問題:

土中滲流會對土顆粒施加滲透力，當滲透力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞。如滑坡、潰壩、地下水開采引起地面下沉。滲流控制問題：

當滲流量或滲透變形不滿足設計要求時，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：滲流量滲透破壞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滲流控制三方面的問題6土的滲透變形:流土、管涌、接觸沖刷、接觸流失

1、流土：在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象2、管涌：在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道3、接觸沖刷：當滲流沿著兩種滲透系數(shù)不同的土層接觸面，或建筑物與地基的接觸面流動時，沿接觸面帶走細顆粒的現(xiàn)象4、接觸流失：在層次分明，滲透系數(shù)相差懸殊的兩土層中,當滲流垂直于層面將滲透系數(shù)小的一層中的細顆粒帶到滲透系數(shù)大的一層中的現(xiàn)象.7滲流引起的工程問題：（1）滲流問題滲流問題是研究土中水的滲透量和滲透速度。（2）滲流破壞問題滲流破壞問題是研究滲透對土體的穩(wěn)定性的影響。水在土孔隙中滲流，會對土骨架產(chǎn)生滲透力，引起土體內(nèi)部應力狀態(tài)的改變，使土體的結(jié)構的原有穩(wěn)定條件發(fā)生變化，從而影響建筑物及其他地基的穩(wěn)定性。8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9滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q10ABL透水層不透水層基坑板樁墻一．滲流中的水頭與水力坡降11ABL一．滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAzBΔh00基準面水力坡降線總水頭－單位重量水體所具有的能量z：位置水頭u/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點總水頭：B點總水頭：總水頭：水力坡降：水頭差：測管水頭二.滲透試驗與達西定律試驗前提：層流斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗試驗結(jié)果試驗條件:

h1，A，L=const量測變量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q13圖3.2達西滲透試驗示意圖2.達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。二.滲透試驗與達西定律注意：v：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k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day152.達西定律

適用條件：層流（線性流）在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律。巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍可用雷諾數(shù)Re進行判斷：Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re＞5時為過渡區(qū)

162.達西定律（1）粗粒土：①礫石類土中的滲流常不符合達西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(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1.測定方法18

室內(nèi)試驗方法1—常水頭試驗法結(jié)果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土室內(nèi)試驗方法1—常水頭試驗法19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土樣At=t1

h1t=t2

h2LQ水頭測管開關a適用：透水性較小的粘性土20室內(nèi)試驗方法2—變水頭試驗法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計算相應的k，取平均值土樣At=t1

h1t=t2

h2LQ水頭測管開關a

hdhtt+dt21例:用粘性土試樣做變水頭試驗,已知試樣的截面積為30cm2,厚度為4cm,滲透儀細玻璃管內(nèi)徑為0.4cm,試驗開始時水位差為145cm,經(jīng)時段7min25s后觀察到水位差為130cm,試驗的水溫為20℃,試求試樣的滲透系數(shù).

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)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)：積分2.影響因素粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構飽和度（含氣量）水的動力粘滯系數(shù)242.影響因素粒徑大小及級配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細顆粒所控制。（1）土粒特性的影響孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。礦物成分：對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高嶺石>伊里石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構：影響孔隙的構成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得k水平﹥k垂直；在微觀結(jié)構上，當孔隙比相同時，凝聚結(jié)構將比分散結(jié)構具有更大的透水性。25飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)87654328090100飽和度的影響流體粘滯性的影響溫度高粘滯性低滲透系數(shù)大封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道（2）流體特性的影響四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀27H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi28H1H2H3HΔhk1k2k3xz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):算例

按層厚加權平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權平均，由較小值控制30§3.3滲透力與滲透變形一.滲透力1、試驗觀察滲透變形滲透力二.滲透變形（滲透破壞）2、物理本質(zhì)3、計算方法土水整體分析土水隔離分析31一.

滲透力1、試驗觀察Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>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。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab32h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流j2、物理本質(zhì)33h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ

+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ

+γw)+γwhw

R=γ

L土水整體分析3、計算方法34h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ

+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ

+γw)+γwhw

R=γ

L－γwΔhR=γ

L滲流中的土體土水整體分析35h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1R=γ

L－γwΔhR=γ

L滲流中的土體水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi土水整體分析36滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j=γwi大?。悍较颍号ci方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）作用對象：土骨架37例:某場地土層上部為9米厚粘土層,其飽和重度為,下面為砂土層,砂土層含承壓水,其水頭高出該層頂面7.5米.今在粘土層內(nèi)挖一深6米的基坑,為使坑底土不至于因滲流而破壞,問坑內(nèi)水深不得小于多少?7.5米6米9米38基本類型二.滲透變形（滲透破壞）

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39粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象滲流原因：402.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：無壓重時：41管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細粒徑的孔隙通道外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞42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)構發(fā)生塌陷或潰口433.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

防治流土土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i：上游延長滲徑；下