土力學(xué)完整課件---2 第2章 土的滲透性

1、第二章第二章 土的滲透性土的滲透性2-1 2-1 概述概述2-2 2-2 達(dá)西定律達(dá)西定律2-3 2-3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形2-4 2-4 滲流工程問題與處理措施滲流工程問題與處理措施 2-5 2-5 流網(wǎng)及其應(yīng)用流網(wǎng)及其應(yīng)用水在水頭差作用下滲透：水透過土體孔隙的現(xiàn)象 滲透性：土允許水透過的性能稱為土的滲透性 造成水量損失，影響工程效益 引起滲透破壞，危及堤壩、建筑物安全 本章將主要討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律，以及滲透力、滲透變形等問題。 滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋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量滲透變形透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑

2、板樁墻板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流第6次課透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q滲流量滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流Teton壩壩損失：損失：直接直接80008000萬美元，起萬美元，起訴訴55005500起，起，2.52.5億美元，億美元，死死1414人，受災(zāi)人，受災(zāi)2.52.5萬人，萬人，6060萬畝土地，萬畝土地，3232公里公里鐵路鐵路原因：管涌原因：管涌土壩位于美國土壩位于美國Idaho州州Teton河上，防洪、灌溉、發(fā)電、河上，防洪、灌溉、發(fā)電、旅游綜合利用，裝機(jī)旅游綜合利用，裝機(jī)16MW，最大壩高，最大壩高126.5m，壩頂，壩頂長長945

3、m。建于建于1972-751972-75年年,75,75年年1111月開始蓄水，月開始蓄水，7676年春年春洪水期間水位迅速上升，達(dá)洪水期間水位迅速上升，達(dá)1.2m/d1.2m/d。6 6月月5 5日上午日上午11:5511:55發(fā)生潰壩。下圖是現(xiàn)在的景象發(fā)生潰壩。下圖是現(xiàn)在的景象Teton壩壩1976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。Teton壩壩1111：0000左右洞口不斷擴(kuò)大并向壩頂靠近，泥水流量增加TetonTeton壩壩11:30洞口繼續(xù)向上擴(kuò)大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設(shè)施。11：50左右洞口擴(kuò)大加速，泥水對壩基

4、的沖蝕更加劇烈。TetonTeton壩壩11:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下TetonTeton壩壩12：00過后坍塌口加寬TetonTeton壩壩洪水掃過下游谷底，附近所有設(shè)施被徹底摧毀TetonTeton壩壩失事現(xiàn)場目前的狀況TetonTeton壩壩2-2 達(dá)西定律1856年法國學(xué)者達(dá)西對年法國學(xué)者達(dá)西對砂土的滲透性進(jìn)行研究砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：結(jié)論：（水在土中的）滲透速度（水在土中的）滲透速度與水力梯度成正比。與水力梯度成正比。v=ki達(dá)西定律達(dá)西定律水頭梯度，即沿滲流方向單水頭梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失位距離的水頭損失 一、達(dá)西定律的內(nèi)容一、達(dá)西定律的內(nèi)容水頭梯度又稱水力梯

5、度水力梯度、水水力坡降力坡降。n二、達(dá)西定律適用范圍二、達(dá)西定律適用范圍kiv 達(dá)西定律達(dá)西定律討論：討論：砂土中的滲透速度與砂土中的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系水頭梯度呈線性關(guān)系 密實的黏土，需要克密實的黏土，需要克服結(jié)合水膜的黏滯阻服結(jié)合水膜的黏滯阻力后才能發(fā)生滲透力后才能發(fā)生滲透; ;同時滲透系數(shù)與水頭同時滲透系數(shù)與水頭梯度呈非線性關(guān)系。梯度呈非線性關(guān)系。 ib起始水起始水力坡降力坡降虛直線簡化虛直線簡化達(dá)西定律適用于層達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流流，不適用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密實黏土密實黏土biikvAhAzwAuLBhhBwuBz水頭：單位重量的水所具有的能量。

6、22wuvhzgwuhz水力梯度（坡降）ABhhLhiL總水頭線總水頭勢水頭壓力水頭動水頭三、滲透系數(shù)及其確定方法滲透試驗（室內(nèi)）滲透試驗（室內(nèi)）AtLhkkiAtqtV時間時間 t 內(nèi)流出的水量內(nèi)流出的水量hAtVLk1.1.常水頭試驗常水頭試驗整個試驗過程中整個試驗過程中水頭保持不變水頭保持不變 適用于透水性大適用于透水性大（k10-3cm/s）的土，的土，例如砂土。例如砂土。 h 2.變水頭試驗整個試驗過程水頭隨時間變化 截面面積截面面積a任一時刻任一時刻t t的水頭差為的水頭差為h，經(jīng)時段經(jīng)時段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在在時段時段dt內(nèi)管內(nèi)減少的水量內(nèi)管內(nèi)

7、減少的水量 dV=adh 在時段在時段dt 內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(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 2112lnhhttAaLk適用于透水性差，滲透系數(shù)小的黏性土 n四、影響滲透系數(shù)的因數(shù)四、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配土粒大小與級配 細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。 2.土的密實度土的密實度 3.水的溫度水的溫度 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，

8、土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。水溫愈高，水的動力黏滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。常以水溫愈高，水的動力黏滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。常以水溫為水溫為1010C C時時k k1010作為標(biāo)準(zhǔn)值。作為標(biāo)準(zhǔn)值。4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體含量 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。含量愈多，土的滲透性愈小。T、10分別為分別為T和和10時水時水的動力黏滯系數(shù)，可查表的動力黏滯系數(shù)，可查表 1

9、010TTkkn五、成層土的滲透系數(shù)五、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)水平滲透系數(shù) 通過整個土層的總滲流量通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和應(yīng)為各土層滲流量之總和 njjxxqq1iDkqxx達(dá)西定律達(dá)西定律njjjnjjxiDkq11整個土層與層面平整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)行的等效滲透系數(shù) 平均滲透系數(shù)平均滲透系數(shù)njjjxDkDk11即為厚度加權(quán)平均值LHDD1D2DjDnk 2k nk jk 1XYkxky在在z軸方向取軸方向取1延米土體來分析延米土體來分析2. 豎直滲透系數(shù)豎直滲透系數(shù) 根據(jù)滲透水流連續(xù)條件，通過根據(jù)滲透水流連續(xù)條件，通過整個整個土層土層的滲流量

10、等于通過的滲流量等于通過各土層各土層的滲的滲流量流量 jyqq 豎直滲透系數(shù)豎直滲透系數(shù)第第j j層土的水力坡降為層土的水力坡降為ij, ,總的水總的水力坡降為力坡降為i AikiAkjjy總水頭損失等于各層總水頭損失等于各層水頭損失之和水頭損失之和 jnjjiDDi1整個土層與層面垂直整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)的等效滲透系數(shù) njjjykDDk1Dk 1k jk nk 2DnDjD2D1Hkyjyjkiki/(2)(3)（2）式代入（式代入（3）式整理后，得式整理后，得(1)例題分析例題分析n【例】 設(shè)做變水頭滲透試驗的黏土試樣的截面積設(shè)做變水頭滲透試驗的黏土試樣的截面積為為30cm2

11、，厚度為，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為，試驗開始時的水位差為160cm，經(jīng)時段，經(jīng)時段15分分鐘后，觀察得水位差為鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為，試驗時的水溫為30，試求試樣的滲透系數(shù)試求試樣的滲透系數(shù) 【解解】已知試樣截面積已知試樣截面積A= =30cm2，滲徑長度，滲徑長度L= =4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積面積 222cm1256. 044 . 014. 34dah1= =160cm，h2= =52cm，t= =900s 試樣在試樣在30時的滲透系數(shù)時的滲透系數(shù) cm/s1009. 252160l

12、n9003041256. 0lg5211230hhttAaLk2-3 滲透力與滲透變形n一、滲透力和臨界水力坡降一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力滲透力GD D滲透水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力。滲透水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力。其方向與滲流方向一致，單位：其方向與滲流方向一致，單位：kN/m3。又稱動水力或滲流力。又稱動水力或滲流力h2h1h21L水流流經(jīng)這段土體，受到土顆水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力粒的阻力T，T為滲透力為滲透力GD的的反作用力反作用力. .水在土體中流動時要受到土粒的阻力作用，反過來土粒也必然作用著一個反作用力，這就是滲透力。以長度L范圍內(nèi)的水體作為脫

13、離體P1P2TAL由脫離體靜力平衡條件有21PTALPAhTALAhww21iLhhTww21iGwD特別注意：特別注意：GD是體積力，作用在土是體積力，作用在土粒骨架上，方向與滲流方向一致。粒骨架上，方向與滲流方向一致。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)定性有顯著的影響土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與滲透力方向與重力一致，促重力一致，促使土體壓密、使土體壓密、強度提高，有強度提高，有利于土體穩(wěn)定利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使?jié)B流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利趨勢，對穩(wěn)定

14、不利滲流力與重力方向相滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒體的有效重度，土粒將被水流沖出將被水流沖出2.臨界水力坡降臨界水力坡降使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降 當(dāng)滲透水流自下而上時，如滲透力與土顆粒的重力當(dāng)滲透水流自下而上時，如滲透力與土顆粒的重力相等，則土顆粒處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即相等，則土顆粒處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水力坡降。為臨界水力坡降。 在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(23)，作為允許水力坡降，作為允許水力坡降i。設(shè)計時，為保

15、證建筑物的安。設(shè)計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降i內(nèi)內(nèi)scrFiiiDGcrwiGDwcriwwsatscreGi11或n二、滲透變形二、滲透變形 滲透水流將土體中的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移滲透水流將土體中的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形動，導(dǎo)致土體變形滲透變形問題（流土，管涌）滲透變形問題（流土，管涌） 1.流土流土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象 流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流逸出口，不發(fā)生于

16、土體內(nèi)部。流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流逸出口，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞 2.管涌管涌在滲流作用下，土中的細(xì)小顆粒穿過較大顆粒間的在滲流作用下，土中的細(xì)小顆粒穿過較大顆粒間的孔隙發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象?？紫栋l(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。 土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越土體的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或堤壩，使其變形成能穿越土體的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或堤壩，使其

17、變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處。它的發(fā)生一般有個時間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞處。它的發(fā)生一般有個時間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞 。3.流土與管涌的判別流土與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)。以及水力條件等因素有關(guān)。 黏性土由于粒間具有黏聚力，黏結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而黏性土由于粒間具有黏聚力，黏結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況的砂和礫石、卵石，分兩種情

18、況: :1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌；要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌；2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細(xì)料含如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細(xì)料含量約為量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象。會發(fā)生流土現(xiàn)象。三、例題分析三、例題分析n【例】某土壩地基土的土粒相對密度某土壩地基土的土粒相對密度Gs= =2.68，孔隙比，孔隙比e= =0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算得水力坡降，下游滲流出口處經(jīng)計算得

19、水力坡降i為為0.2，若取，若取安全系數(shù)安全系數(shù)Fs為為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞流土破壞 ?！窘饨狻颗R界水力坡降臨界水力坡降 由于實際水力坡降由于實際水力坡降i =0.2 i，故土壩地基出口處土體不會，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞。發(fā)生流土破壞。 92.082.01168.211eGiscr允許水力坡降允許水力坡降 37.05.292.0scrFii2-4 滲流工程問題與處理措施 n一、滲流工程問題一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對地下水不僅對水位以下的

20、土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力 2.地下水的潛蝕作用地下水的潛蝕作用 在施工降水等過程中產(chǎn)生水頭差，在滲流作用下發(fā)生管涌，在施工降水等過程中產(chǎn)生水頭差，在滲流作用下發(fā)生管涌，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層中。中。 3.流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂地層中產(chǎn)生，在地下水位以下

21、的基坑開穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn) 。 4.基坑突涌基坑突涌 當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌。基坑突涌。hHwn二、防滲處理措施二、防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物滲流處理措施 水工建筑物的防滲工程措施一般以水工建筑物的防滲工程措施一

22、般以“上堵下疏上堵下疏”為原則，上為原則，上游截滲、延長滲徑，下游則保證滲流通暢，減小滲透壓力，防游截滲、延長滲徑，下游則保證滲流通暢，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形止?jié)B透變形 。垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的: :延長滲徑，降低上、下游的水力坡度。若垂直截滲能延長滲徑，降低上、下游的水力坡度。若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲。等均屬于垂直截滲。 設(shè)置水平鋪蓋設(shè)置水平鋪蓋 上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑。上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑。 黏

23、土鋪蓋黏土鋪蓋設(shè)置反濾層設(shè)置反濾層 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無黏性土組成，也產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無黏性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層?？捎赏凉げ即?，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層。 排水減壓排水減壓 黏性土黏性土含水層含水層減壓井減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設(shè)置為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設(shè)置

24、減壓井或深挖排水槽減壓井或深挖排水槽 2.基坑開挖防滲措施基坑開挖防滲措施工程降水工程降水 采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出。或集水井排出。原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位面一級抽水后水位一級抽水后水位二級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水多級井點降水要求地下水位降得較深，要求地下水位降得較深，采用井點降水。在基坑周采用井點降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點，圍布置一排至幾排井點，從井中抽水降低水位從井中抽水降低水位 。設(shè)置板樁設(shè)置板樁 沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了地沿坑