土的滲透性及滲透力

1、13 土的滲透性及滲透力2目錄 3.1 土的滲透性及滲透定理 3.3 滲透力及滲透破壞 3.4 有效應(yīng)力原理及計(jì)算 3.2 滲透系數(shù)的測(cè)定3 3.1 土的滲透性及滲透定理滲滲流流滑滑坡坡4層流：水在土的細(xì)微孔隙中的緩慢流動(dòng)稱為層流。層流：水在土的細(xì)微孔隙中的緩慢流動(dòng)稱為層流。5 層流狀態(tài)下土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律層流狀態(tài)下土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律達(dá)西定律（達(dá)西定律（1896年）年）kiLhkAqvkAiLhkAq 則滲透系數(shù)的物理意義滲透系數(shù)的物理意義單位水力梯度時(shí)孔隙流體的滲流速度。單位水力梯度時(shí)孔隙流體的滲流速度。反映土體滲透性的大小，是土的重要

2、指標(biāo)之一?？赏ㄟ^試驗(yàn)測(cè)定。反映土體滲透性的大小，是土的重要指標(biāo)之一?？赏ㄟ^試驗(yàn)測(cè)定。達(dá)西定律達(dá)西定律6（1）采用了以整個(gè)斷面計(jì)算的假想平均流速，而不是孔隙流體的實(shí)際流采用了以整個(gè)斷面計(jì)算的假想平均流速，而不是孔隙流體的實(shí)際流 速。速。實(shí)際流速要比平均流速大實(shí)際流速要比平均流速大。（2）采用了以采用了以土樣長(zhǎng)度為滲徑土樣長(zhǎng)度為滲徑的平均水力梯度，而不是滲透水流的真正的平均水力梯度，而不是滲透水流的真正 水力梯度。水力梯度。無粘性土無粘性土中砂、細(xì)砂、粉砂中砂、細(xì)砂、粉砂粘土粘土適用條件：適用條件：大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土疏松的粘土及砂性較重的粘性土起始水力

3、梯度達(dá)西定律的達(dá)西定律的基本假定基本假定：7 3.2 滲透系數(shù)的測(cè)定1.1.常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)o適用范圍：透水性強(qiáng)的無粘性土適用范圍：透水性強(qiáng)的無粘性土 o試驗(yàn)裝置：如圖示試驗(yàn)裝置：如圖示o試驗(yàn)特點(diǎn)：試驗(yàn)特點(diǎn)： 水在常水頭差水在常水頭差h h的作用下流過試樣的作用下流過試樣 o試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法： 測(cè)量對(duì)應(yīng)于某一時(shí)段測(cè)量對(duì)應(yīng)于某一時(shí)段t t，流經(jīng)試樣的水量，流經(jīng)試樣的水量Q Qi=h/Li=h/LQ=vAtQ=vAtv=kiv=kiAhtQLk 81.1.變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)o適用范圍：滲透性很小的粘性土。適用范圍：滲透性很小的粘性土。o試驗(yàn)裝置：如圖示試驗(yàn)裝置：如圖示o試驗(yàn)特點(diǎn)：試驗(yàn)特點(diǎn)：

4、 試樣頂部水頭隨時(shí)間變化，作用試樣頂部水頭隨時(shí)間變化，作用于試樣兩端的水頭差于試樣兩端的水頭差h h在試驗(yàn)過程在試驗(yàn)過程中是變化的。中是變化的。21lnhhAtaLk 自學(xué)推導(dǎo)過程9A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2 )(ln212212hhkrrq 212212)/ln(hhrrqk 優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層（完整井）（完整井）觀察井觀察井10定義：定義：當(dāng)土中發(fā)生向下或向上的滲流時(shí)，當(dāng)土中發(fā)

5、生向下或向上的滲流時(shí)，滲透水流作用在土顆粒上的與滲流方向相滲透水流作用在土顆粒上的與滲流方向相同的同的體積力體積力，使土骨架應(yīng)力相應(yīng)地增加或，使土骨架應(yīng)力相應(yīng)地增加或減小，此體積力稱為減小，此體積力稱為滲流力滲流力，用，用J表示表示。滲流變形滲流變形滲流力滲流力 3.3 滲透力及滲透破壞3.3.1滲流力滲流力（動(dòng)水力）（動(dòng)水力）111. 1. 試驗(yàn)裝置：可產(chǎn)生垂直滲試驗(yàn)裝置：可產(chǎn)生垂直滲流的試驗(yàn)裝置，如圖所示。流的試驗(yàn)裝置，如圖所示。2. 2. 試驗(yàn)假設(shè)試驗(yàn)假設(shè) 土是均勻的，土中的滲流土是均勻的，土中的滲流不論向上還是向下，不論向上還是向下，土中土中的水頭損失沿滲流方向都的水頭損失沿滲流方向都

6、是均勻變化的，是均勻變化的，即假設(shè)滲即假設(shè)滲流引起的流引起的應(yīng)力改變量沿滲應(yīng)力改變量沿滲流方向是直線變化的流方向是直線變化的。 土的滲流試驗(yàn)簡(jiǎn)圖土的滲流試驗(yàn)簡(jiǎn)圖12單位滲流力單位滲流力：每單位土體內(nèi)土顆粒所受的滲流作用力每單位土體內(nèi)土顆粒所受的滲流作用力, , 用用j j表示，單位為表示，單位為kN/mkN/m3 3 當(dāng)當(dāng)h h1 1=h=h2 2時(shí)，無滲流發(fā)生時(shí)，無滲流發(fā)生當(dāng)當(dāng)h h1 1hh2 2時(shí)，向上滲流時(shí)，向上滲流當(dāng)當(dāng)h h1 1hh2 2時(shí)，向下滲流時(shí)，向下滲流zjziLzhLwwB)()()(ijw單位滲流力：飽和土體中滲流力計(jì)算飽和土體中滲流力計(jì)算133.3.2滲滲透破壞透破壞

7、土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞基本類型基本類型 流土流土管涌管涌形成條件形成條件 防治措施防治措施 14（1）流土（流砂）流土（流砂）在在向上向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象的現(xiàn)象和和土土的的密密實(shí)實(shí)程程度度有有關(guān)關(guān)eGiscr 11 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩壩體體體體滲流滲流原因：原因：zj)(ijw或15形成條件形成條件 scrFiii F Fs s: : 安全系數(shù)安全系數(shù)2.02.02.52.5 i : i : 允許坡降允許坡降i ii ii

8、icrcr : :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)判斷：經(jīng)驗(yàn)判斷：16（2）管涌）管涌在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒細(xì)小顆粒，通過較大顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道管道。原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因外因滲流力足夠大滲流力足夠大 管涌管涌破壞17過渡型土管涌土非管涌土級(jí)配連續(xù)的土過渡型土細(xì)料含量管涌土細(xì)料含量非管涌土細(xì)料含

9、量級(jí)配不連續(xù)的土的不均勻土非管涌土的比較均勻的土 (b) 35%25 5%2 35% (a) 10 B. 10 .5305030ddDdDdDCCAuu無粘性土無粘性土 發(fā)生管涌的判別標(biāo)準(zhǔn)為（內(nèi)因發(fā)生管涌的判別標(biāo)準(zhǔn)為（內(nèi)因顆粒幾何條件）：顆粒幾何條件）：200250d.D 土的孔隙平均直徑d d2020小于該粒小于該粒徑的土質(zhì)量占總徑的土質(zhì)量占總質(zhì)量的質(zhì)量的20%20%18發(fā)生管涌的水力條件發(fā)生管涌的水力條件外因外因試驗(yàn)測(cè)定方法：試驗(yàn)測(cè)定方法：o 改變?cè)嚇拥撞康乃^高度。改變?cè)嚇拥撞康乃^高度。 o 現(xiàn)象現(xiàn)象: :試樣中細(xì)小土粒移動(dòng)。試樣中細(xì)小土粒移動(dòng)。o b b圖中：圖中： 從從C C點(diǎn)開始

10、，水力梯度稍有點(diǎn)開始，水力梯度稍有增加，滲流速度就會(huì)急劇加增加，滲流速度就會(huì)急劇加大，說明試樣中發(fā)生了管大，說明試樣中發(fā)生了管涌涌 。1920防治措施防治措施 scrFiiLhi增大增大ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 防防治治流流土土土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤(rùn)線浸潤(rùn)線透水層透水層不透水層不透水層減小減小i i ：上游延長(zhǎng)滲徑上游延長(zhǎng)滲徑 下游減小水壓下游減小水壓防防治治管管涌涌改善幾何條件：改善幾何條件：設(shè)反濾層等，設(shè)反濾層等，反濾層為級(jí)配較均勻的砂子和礫反濾層為級(jí)配較均勻的砂子和礫石層，能保護(hù)細(xì)顆粒不被帶走，石層，能保護(hù)細(xì)顆粒不被帶走，同時(shí)也具有較大的透水性同時(shí)也具

11、有較大的透水性改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降21流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)生移動(dòng)管涌管涌只發(fā)生在水流只發(fā)生在水流滲出的表層滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)只要滲透力足夠大，可發(fā)生在生在任何土中任何土中破壞過程破壞過程短短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)局部滑動(dòng)等等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷歷時(shí)時(shí)后果后果土體內(nèi)土體內(nèi)細(xì)顆粒通過細(xì)顆粒通過粗粒形成粗粒形成的的孔隙孔隙通道移動(dòng)通道移動(dòng)可發(fā)生于土體可發(fā)生于土體內(nèi)部?jī)?nèi)部和滲流和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在一般發(fā)生在特定級(jí)配特定級(jí)配的的無粘性土或分散性粘土無粘

12、性土或分散性粘土破壞過程相對(duì)較破壞過程相對(duì)較長(zhǎng)長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口塌陷或潰口22 3.4 有效應(yīng)力原理及計(jì)算 o粒間應(yīng)力粒間應(yīng)力（interparticle stressinterparticle stress） 由土骨架顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力。由土骨架顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力。o有效應(yīng)力有效應(yīng)力（effective stresseffective stress） 對(duì)土體的變形和強(qiáng)度變化有效的粒間應(yīng)力。對(duì)土體的變形和強(qiáng)度變化有效的粒間應(yīng)力。o孔隙水壓力孔隙水壓力（pore water pressurepore water pressure） 由孔隙水傳遞的應(yīng)力，它不能直接引起土體

13、的變形和強(qiáng)度變化，由孔隙水傳遞的應(yīng)力，它不能直接引起土體的變形和強(qiáng)度變化，又稱為中性應(yīng)力。它不隨時(shí)間而變化。又稱為中性應(yīng)力。它不隨時(shí)間而變化。o超靜孔隙水壓力超靜孔隙水壓力（excess pore water pressureexcess pore water pressure） 由外荷載引起的超出靜水位以上的那部分孔隙水壓力。由外荷載引起的超出靜水位以上的那部分孔隙水壓力。3.4.1 3.4.1 有效應(yīng)力的基本概念有效應(yīng)力的基本概念233.4.2 3.4.2 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理A：Aw：As：土單元的斷面積土單元的斷面積顆粒接觸點(diǎn)的面積顆粒接觸點(diǎn)的面積孔隙水的斷面積孔隙水的斷面積有效應(yīng)

14、力有效應(yīng)力aaAa-aa-a斷面通過斷面通過土顆粒的接土顆粒的接觸點(diǎn)觸點(diǎn)u u：孔隙：孔隙水壓力水壓力a1AAw u wsvAuPA a-aa-a斷面斷面豎向力平衡豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv PSPSVPS1 1、飽和土中的應(yīng)力形狀、飽和土中的應(yīng)力形狀24u （1 1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分 和和u u，并且，并且（2 2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力 u 一般地，一般地，有效應(yīng)力有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測(cè)定或算定孔隙水壓測(cè)定或算定通常通常, ,u 2

15、 2、飽和土中的有效應(yīng)力原理、飽和土中的有效應(yīng)力原理253.4.3 3.4.3 穩(wěn)定滲流下的土中有效應(yīng)力的計(jì)算穩(wěn)定滲流下的土中有效應(yīng)力的計(jì)算1 1、靜水條件下、靜水條件下=-u-u = =H H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H2 2 = =H H1 1+(+(satsat- -w w)H)H2 2 = =H H1 1+ +HH2 2sat 地下水位地下水位2sat1HH 地下水位下降引起地下水位下降引起 增大的部分增大的部分H H1 1H H2 2=-u-uu=u=w wH H2 2u=u=w wH H2 2地下水位下降會(huì)引起地下水位下降會(huì)引起增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，增大，土

16、會(huì)產(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因。沉降的一個(gè)主要原因。26海洋土海洋土=-u-u = =w wH H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H = =satsatH H2 2- -w w(H-H(H-H1 1) ) =(=(satsat- -w w)H)H2 2 = =HH2 21HH2H2sat1wHH Hw w wH H1 1w wH H1 12H sat 27毛細(xì)飽和區(qū)毛細(xì)飽和區(qū) sat 毛細(xì)飽毛細(xì)飽和區(qū)和區(qū)HwhchthtsathH wwtsathhH wwh cwh cwhH 總應(yīng)力總應(yīng)力孔隙水壓力孔隙水壓力有效應(yīng)力有效應(yīng)力+ +-

17、-282 2、穩(wěn)定滲流條件下、穩(wěn)定滲流條件下（1 1）水自下而上滲流）水自下而上滲流hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(:面（當(dāng)當(dāng)h h2 2 h h1 1時(shí)，時(shí)，h h2 2 =h =h1 1 + h + h，即向上滲流，即向上滲流）29（2 2）水自上而下滲流）水自上而下滲流（當(dāng)當(dāng)h h2 2 h h1 1時(shí)，時(shí)，h h2 2 =h =h1 1 - - h h，即向，即向下下滲流滲流）hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(面：30o 結(jié)結(jié) 論論： 土中發(fā)生向上的滲流時(shí)，由于孔土中發(fā)生向上的滲流時(shí)，由于孔隙水向上滲流，并且作用在土顆隙水向上