土力學(xué)課件：第3章 土的滲透性與滲流

1、Warming-up達(dá)西定律Darcys law 管涌piping 浸潤(rùn)線phreatic line 流土flowing soil臨界水力梯度critical hydraulic gradient流函數(shù)flow function 流網(wǎng) flow net 砂沸sand boiling 水力梯度hydraulic gradient滲流seepage 滲流量seepage discharge滲流速度seepage velocity 滲透力seepage force滲透系數(shù)coefficient of permeability滲透性permeability 勢(shì)函數(shù)potential function滲

2、透破壞seepage failure 毛細(xì)水 capillary water常/變水頭試驗(yàn)constant/falling head test專業(yè)英語(yǔ)詞匯第3章 土的滲透性與滲流3.1 概述3.2 達(dá)西定律3.3 土的滲透系數(shù)3.4 飽和土中的應(yīng)力和有效應(yīng)力原理3.5 滲透力和滲透變形3.6 二維滲流和流網(wǎng)3.1 概述 滲流 水在土體中的流動(dòng)。其流動(dòng)速度與土的滲透性密切相關(guān)。 土的滲透性 表征水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)，或即： 土允許水透過的特性。地基問題很多與土中滲流有關(guān)，例如，地基的沉降隨時(shí)間變化，就與土中滲流有很大關(guān)系。正是因?yàn)樵诤奢d作用下土中自由水逐漸從土的孔隙中被擠出，地基才緩慢

3、的發(fā)生沉降或變形。因此，研究土的滲透性和土中滲流有重要的意義。伯努力Bernowlli方程孔隙水的流動(dòng)服從伯努力方程，即它總是從總能量高處向總能量低處流動(dòng)。這個(gè)總能量可用總水頭h來(lái)度量： 式中：hz 相應(yīng)于一定基準(zhǔn)面的位置水頭；u 孔隙水壓力；v 孔隙中水的實(shí)際流速；g 重力加速度； 為壓力水頭； 為流速水頭。 由于土中水的流速 v 一般都較小，故上式中第三項(xiàng)可以忽略不計(jì)，余下的兩項(xiàng)之和亦稱為測(cè)管水頭。3.1 概述00基準(zhǔn)面質(zhì)量 m壓力 u流速 vhz滲流引起的兩類工程問題在巖土工程中土中水的滲流主要會(huì)引起兩類工程問題： （1）流量與滲流速度問題在水利工程中的井、渠、壩及其基礎(chǔ)工程中，在土木工

4、程中的基坑等施工中，人們常關(guān)心的是滲透流量的多少和滲流速度的快慢，相應(yīng)的措施是改善或降低土的滲透性以滿足工程要求。（2）穩(wěn)定或滲透破壞問題滲透破壞是指在滲透水流對(duì)土骨架的滲透力的作用下，土顆粒間可能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)甚至整體運(yùn)動(dòng)，從而造成地基土體及建造在其上的建筑物失穩(wěn)。 3.1 概述工程中的滲流問題基坑開挖中的滲流 3.1 概述透水層不透水層基坑工程中的滲流問題透水層不透水層防滲體壩體浸潤(rùn)線(b) 堤防滲流3.1 概述工程中的滲流問題原地下水位滲流時(shí)地下水位(c) 渠道滲流3.1 概述3.2 達(dá)西定律 法國(guó)水利工程師達(dá)西(Darcy)于1856年在均勻的砂中進(jìn)行一維滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：式中，h

5、 土樣的總水頭差，亦即測(cè)管水頭差；L 試樣的長(zhǎng)度，也稱滲徑； A試樣的斷面面積；Q 滲透流量； k 比例常數(shù)，稱為滲透系數(shù)。達(dá)西定律一維滲透試驗(yàn)LAh1h2Q透水石3.2 達(dá)西定律達(dá)西定律稱為線性滲透定律，對(duì)絕大多數(shù)土類均適用。但只適用于層流，不適用于紊流（發(fā)生在滲透性很大的卵石和堆石中，例如漩渦）。對(duì)于滲透性很低的硬黏土，只有當(dāng)水頭梯度超過某起始值 i0，才會(huì)發(fā)生線性滲流，在此前則為非線性滲流，即v = k1 in（n1），其后才符合線性規(guī)律。滲流流速與水力坡降的兩種非線性關(guān)系(a) 卵石中滲流 (b) 硬黏土中滲流對(duì)于硬黏土，為簡(jiǎn)化，以直線的延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn) i0 作為起始梯度vi層流

6、過渡紊流ivoi03.2 達(dá)西定律3.3 土的滲透系數(shù)3.3.1 滲透系數(shù)的影響因素3.3.2 不同土滲透系數(shù)的范圍3.3.3 確定土的滲透系數(shù)的試驗(yàn)3.3.4 分層土的等效滲透系數(shù)滲透系數(shù)影響因素3.3.1 滲透系數(shù)的影響因素3.3 土的滲透系數(shù)顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)由于滲流是在土孔隙中發(fā)生的，故孔隙比 e 越小，k 越小。試驗(yàn)表明，在同一種砂土中 k 大約與 e2 或者 e2/(1+ e) 成比例。但對(duì)于黏土和粉土，這種關(guān)系不完全成立。影響因素3.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)影響因素顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)滲流通道（即

7、土中孔隙通道）越細(xì)，對(duì)水流的阻力就越大，而土中孔隙通道的粗細(xì)與顆粒的尺寸和級(jí)配有關(guān)，特別是與其中較細(xì)的顆粒的尺寸有關(guān)。故顆粒越大，則孔隙通道越大， k 也越大。影響因素3.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)影響因素顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)由于氣泡阻礙水流動(dòng),故孔隙中即使有很小的氣泡也會(huì)嚴(yán)重影響土的滲透性，所以土的飽和度對(duì)滲透系數(shù)的量測(cè)是很重要的影響因素，在滲透試驗(yàn)中應(yīng)盡量使土達(dá)到完全飽和。飽和度越高，滲透系數(shù)越大。影響因素3.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)影響因素顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)實(shí)質(zhì)上反映了流體經(jīng)過土的孔隙

8、通道時(shí)與土顆粒間的摩擦力或粘滯力。流體粘滯性與溫度有關(guān)。20C時(shí)測(cè)得的滲透系數(shù)值k20稱為標(biāo)準(zhǔn)值，常溫下從試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)值kT須經(jīng)修正才能得到標(biāo)準(zhǔn)值。滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大。溫度修正項(xiàng)與溫度關(guān)系 T（C ）51015202530351.5011.2971.1331.0000.8900.7980.7203.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素?fù)?jù)土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999），修正公式為： ， 其中 為溫度修正項(xiàng)，取值見表?？梢? 滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大。影響因素3.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)影響因素顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)在同樣孔隙比情況下，

9、黏土礦物的滲透性依次是：高嶺石伊利石蒙脫石(黏土礦物的親水性依次是：蒙脫石伊利石高嶺石)。影響因素3.3.1 土的滲透系數(shù)的影響因素滲透系數(shù)影響因素顆粒的尺寸及級(jí)配飽和度溫度顆粒的礦物組成孔隙比土的結(jié)構(gòu)由于天然沉積土的分層性，其滲透性往往是各向異性的。對(duì)于裂隙黏土及風(fēng)化黏土，其滲透性往往不取決于顆粒間的孔隙，而取決于宏觀的裂隙；同樣，具有凝聚(絮狀)結(jié)構(gòu)的黏土，其團(tuán)粒間的孔隙會(huì)使其滲透系數(shù)很大。3.3.2 不同土滲透系數(shù)的范圍在同樣孔隙比情況下，粘性土的滲透系數(shù)一般遠(yuǎn)小于無(wú)粘性土，這是因?yàn)檎承酝林械目紫锻ǖ篮芗?xì)，且結(jié)合水膜占據(jù)了土中的孔隙體積。一般認(rèn)為：1.0cm/s是土中滲流的層流和紊流的界

10、限；10-4cm/s 是排水良好與排水不良之界限，也是對(duì)應(yīng)于發(fā)生管涌的敏感范圍；10-9cm/s大體上是土的滲透系數(shù)的下限。應(yīng)記?。吼ね粒琸 10-6cm/s；粉土，10-6 k 10-4cm/s； 砂，10-3 iacr，故在黏土層必定發(fā)生流土。3.5.2 流土及其臨界水力坡降【例題3-5】在例題3-3中，已知黏土、粉土、砂土層的飽和重度分別為20kN/m3 、19kN/m3 、19kN/m3 ，如果（a）將, 層土互換；或者（b）將,層土互換；試在垂直滲流條件下驗(yàn)算最上層土是否會(huì)發(fā)生流土，并驗(yàn)算土層的整體穩(wěn)定?！窘狻?5cm粉土b黏土a砂土c5cm20cm5cm20cm25cm砂土c粉土b

11、黏土a5cm20cm20cm5cm(a)(b)3.5.2 流土及其臨界水力坡降解答盡管土層調(diào)換，但各層土中水頭損失是不變的。在例題3-3計(jì)算中已知：ha=24.4cm ；hb=0.61 cm；hc= 0.0122cm。(a): 、層互換，粉土層中的水力坡降為： ， 遠(yuǎn)小于臨界水力坡降icr=0.9，故粉土層本身不會(huì)發(fā)生流土，是穩(wěn)定的。但是黏土層粉土層整體是否穩(wěn)定，需要判斷：黏土層底面作用的向上水壓力： 黏土層底面處的水土總自重應(yīng)力： =100.05+190.2+200.055.3kPa可見向上的水壓力大于水土總自重應(yīng)力，會(huì)使兩層土體整體向上隆起，也即還是可能發(fā)生流土的。3.5.2 流土及其臨界

12、水力坡降解答（續(xù)）(b): 、層互換，砂土層為最上層，砂土層的水力坡降為： ,也遠(yuǎn)小于臨界水力坡降icr=0.9，故砂土層是穩(wěn)定的。在粉土層底面處：粉土層底面處的水土總自重應(yīng)力：可見粉土層底面處 u，故砂土層粉土層整體是穩(wěn)定的。在黏土層底面處：可見黏土層底面處 u，故砂土層粉土層+黏土層整體也屬穩(wěn)定。3.5.2 流土及其臨界水力坡降在粉土底面處：3.5.3 管涌在滲透力作用下，土中細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道中被滲透水流帶走而流失的現(xiàn)象，稱為管涌。其結(jié)果是：細(xì)顆粒被帶走孔隙越來(lái)越大形成管狀通道粗顆粒架空、坍落土體破壞。管涌可能發(fā)生在土體中的任何部位和任何滲流方向，其破壞是逐漸的，在大顆粒無(wú)粘性

13、土內(nèi)發(fā)生時(shí)，則稱為 “內(nèi)管涌” 或 “潛蝕”。流土和管涌是土體破壞的主要形式。管涌發(fā)生的條件發(fā)生管涌的條件有幾何條件和水力條件兩部分。（1）幾何條件必要條件：土中細(xì)顆粒能夠從粗顆粒形成的孔隙通道中通過。即Ds 10，級(jí)配不連續(xù)，并且其中細(xì)顆粒含量小于5的無(wú)粘性土是管涌土。對(duì)于級(jí)配連續(xù)的土，若D0 Ds 也屬于管涌土。其中D0經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為 D0 = 0.25d20 。3.5.3 管涌（2）水力條件滲透水流的滲透力達(dá)到一定程度時(shí)才可帶動(dòng)土中的細(xì)顆粒，因而管涌要在一定的水力坡降下才會(huì)發(fā)生。一般: 發(fā)生管涌的臨界水力坡降比發(fā)生流土的臨界值低，但是其變化范圍很大，并遠(yuǎn)不象流土臨界水力坡降 那么容易準(zhǔn)確

14、地決定。我國(guó)學(xué)者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出管涌土的破壞臨界坡降和允許坡降范圍值。3.5.3 管涌發(fā)生管涌的水力坡降范圍水力坡降 i連續(xù)級(jí)配土不連續(xù)級(jí)配土破壞臨界坡降 icr0.20.40.10.3允許坡降 i 0.150.250.10.23.5.3 管涌3.5.4 滲透變形的類型 滲透變形主要表現(xiàn)為在滲透水流作用下的地面隆起、土層剝落、土顆粒懸浮、細(xì)顆粒流失等。 上述的流土和管涌是土的滲透變形的基本形式。此外，還有不同土層間的接觸滲透變形：當(dāng)滲流從細(xì)粒土層垂直流向粗粒土層時(shí)可能引起的細(xì)粒土的流失，稱為接觸流土；當(dāng)滲流發(fā)生在平行于層面時(shí)，則可能引起接觸沖刷，故在不同土層間，有時(shí)需要設(shè)置反濾層進(jìn)行保護(hù)。3.5.5 滲透變形的防治降低水力坡降垂直防滲水平防滲地下連續(xù)墻板樁帷幕灌漿不透水鋪蓋延長(zhǎng)滲徑通用措施增大滲徑，減少水力坡降：設(shè)置減壓溝、減壓井，貫穿上部弱透水層降低局部高水力坡降：在弱透水層上加蓋重。防治流土防治管涌防治滲