第三章-土的滲透性

第3章土的滲透性主要內(nèi)容概述達(dá)西滲透定律滲透系數(shù)的測(cè)定二向滲流和流網(wǎng)的特征滲流力及滲透穩(wěn)定性在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力第1節(jié)概述滲透：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用時(shí)，水就會(huì)透過(guò)土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。土具有被水透過(guò)的性能稱(chēng)為土的滲透性。土的滲透性問(wèn)題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問(wèn)題。第2節(jié)達(dá)西滲透定律Darcy試驗(yàn)裝置一、達(dá)西滲透定律由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于層流。著名的達(dá)西滲透定律：滲透速度：

或滲流量為：1、滲透速度v由于過(guò)水?dāng)嗝鎤實(shí)際上是試樣的橫截面積，并非真實(shí)的過(guò)水?dāng)嗝妫虼藵B透速度v實(shí)際上為假想平均流速，并非真實(shí)平均流速。2、水力坡度i水力坡度的物理意義是沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透長(zhǎng)度的比值。水頭損失是由于水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中為了克服水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦阻力而消耗了機(jī)械能，因此水力坡度是水流通過(guò)單位滲透途徑為克服摩擦阻力所消耗的機(jī)械能。3、滲透系數(shù)K滲透系數(shù)是表征含水層透水性能的重要參數(shù)。其大小同時(shí)與巖石空隙的性質(zhì)和滲流液體的物理性質(zhì)有關(guān)。透水率：也表征含水層透水性能，但其只決定于巖層的空隙性質(zhì)，而與滲流液體的物理性質(zhì)無(wú)關(guān)。二、達(dá)西滲透定律的適用條件Darcy定律適用的上限：（1）只有當(dāng)Reynolds數(shù)不超過(guò)l～10時(shí)，地下水的運(yùn)動(dòng)才符合Darcy定律。（2）絕大多數(shù)的天然地下水運(yùn)動(dòng)仍服從Darcy定律。式中：ρw、v、η、d分別為水的密度、流速、粘滯系數(shù)、土粒平均粒徑。注意Re的定義同《水力學(xué)》中的區(qū)別式中：ρw、v、η、d分別為水的密度、流速、粘滯系數(shù)、管徑。Darcy定律適用的下限：對(duì)于某些粘性土，存在一個(gè)起始水力坡度J0，當(dāng)實(shí)際水力坡度小于起始水力坡度J0時(shí)，幾乎不發(fā)生流動(dòng)。第3節(jié)滲透系數(shù)的測(cè)定滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。一、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)就原理而言，可分為：常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)。（一）常水頭法是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭保持不變。一、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)常水頭試驗(yàn)裝置（二）變水頭法在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭是隨著時(shí)間而變化的。

課堂自學(xué)內(nèi)容（1）例題[3-1]要求（1）時(shí)間：5分鐘二、成層土的滲透系數(shù)天然沉積土往往由滲透性不同的土層所組成。對(duì)于與土層層面平行和垂直的簡(jiǎn)單滲流情況，當(dāng)各土層的滲透系數(shù)和厚度為已知時(shí)，我們可求出整個(gè)土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲流計(jì)算的依據(jù)。平行于層面的滲透系數(shù)Kx每一分層的單寬流量為：總的單寬流量為：或垂直于層面的滲透系數(shù)Ky先自學(xué)第4節(jié)二向滲流和流網(wǎng)的特征一、穩(wěn)定滲流場(chǎng)中的拉普拉斯方程上式就是著名的拉普拉斯（Laplace）方程，它是描述穩(wěn)定滲流的基本方程式。若二、流網(wǎng)及其特征就滲流問(wèn)題來(lái)說(shuō)，一組曲線(xiàn)稱(chēng)為等勢(shì)線(xiàn)；另一組曲線(xiàn)稱(chēng)為流線(xiàn)，它們代表滲流的方向。等勢(shì)線(xiàn)和流線(xiàn)交織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)。流網(wǎng)具有下列特征：1)流線(xiàn)與等勢(shì)線(xiàn)彼此正交；2)每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比為常數(shù)；3)相鄰等勢(shì)線(xiàn)間的水頭損失相等；4)各流槽的滲流量相等。流網(wǎng)的應(yīng)用1、確定水力坡度；2、確定流速；3、確定流量；4、確定孔隙水應(yīng)力。第5節(jié)滲流力及滲透穩(wěn)定性滲流所引起的穩(wěn)定問(wèn)題：1)局部穩(wěn)定問(wèn)題，又稱(chēng)為滲透變形問(wèn)題；2)整體穩(wěn)定問(wèn)題。應(yīng)該指出，局部穩(wěn)定問(wèn)題如不及時(shí)加以防治，同樣會(huì)釀成整個(gè)建筑物的毀壞。一、滲流力的概念水在土體中流動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起水頭的損失。這種水頭損失是由于水在土體孔隙中流動(dòng)時(shí)，力圖拖曳土粒而消耗能量的結(jié)果。自然，水流在拖曳土粒時(shí)將給予土粒以某種拖曳力，我們將滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力稱(chēng)為滲透力?？倽B透力：Lh1h2hAwh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w(h1-

h2)A=whA單位體積滲透力：j=J/(AL)=whA/(AL)=wij—滲透力，KN/m3；i—水力坡度；w——水的重度,KN/m3滲透力為體積力以孔隙水為研究對(duì)象二、滲透變形（一）滲透變形的形式滲透變形可分為：流土和管涌?jī)煞N基本形式。流土：在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時(shí)起動(dòng)而流失的現(xiàn)象。管涌：在滲流作用下土體中的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。土可細(xì)分為： 管涌型土 過(guò)渡型土 流土型土 分類(lèi)依據(jù)（詳見(jiàn)課本P100）：

Cu、P、D0、Pop、d3、d5。（二）土的臨界水力梯度土體抵抗?jié)B透破壞的能力，稱(chēng)為抗?jié)B強(qiáng)度。以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度表示，稱(chēng)為臨界水力梯度或抗?jié)B梯度.1、流土型土的臨界水力梯度當(dāng)豎向滲流力等于土體的有效重量時(shí)，土體就處于流土的臨界狀態(tài)，即2、管涌型土的臨界水力梯度管涌土的臨界水力梯度可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)除了根據(jù)肉眼觀察細(xì)土粒的移動(dòng)來(lái)判斷管涌外，還可借助于水力梯度i與流速v之間的變化來(lái)判斷管涌是否出現(xiàn)。3、臨界水力梯度的試驗(yàn)資料（1）臨界水力梯度與不均勻系數(shù)的關(guān)系：不均勻系數(shù)越大，臨界水力梯度越小。（2）臨界水力梯度與細(xì)料含量的關(guān)系細(xì)料含量越高，臨界水力梯度越大。（3）臨界水力梯度與滲透系數(shù)的關(guān)系滲透系數(shù)越大，臨界水力梯度越小。如果透水性強(qiáng)，抵抗?jié)B透變形的能力就差。例3-2自學(xué)10分鐘。第6節(jié)在靜水和有滲流情況下的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力一、飽和土體中的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力把飽和土體中由孔隙水來(lái)承擔(dān)或傳遞的應(yīng)力定義為孔隙水應(yīng)力通過(guò)粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱(chēng)為有效應(yīng)力只有有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生壓縮（或固結(jié)）和強(qiáng)度。有效應(yīng)力原理：二、在靜水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖為浸沒(méi)在水下的飽和土體，設(shè)土面至水面的距離為h1,土的飽和容重為γsat，則土面下深度為h2的a-a平面上的總應(yīng)力為孔隙水應(yīng)力為于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為由此可見(jiàn)，在靜水條件下，孔隙水應(yīng)力等于研究平面上單位面積的水柱重量，與水深成正比，呈三角形分布；有效應(yīng)力等于研究平面上單位面積的土柱有效重量，與土層深度成正比，也呈三角形分布，與超出土面以上靜水位的高低無(wú)關(guān)。三、在穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力上圖表示在水位差作用下，發(fā)生由上向下的滲流情況。此時(shí)在土層表面b-b上的孔隙水應(yīng)力與靜水情況相同，仍等于γwh1，a-a平面上的孔隙水應(yīng)力將因水頭損失而減小，其值為a-a平面上的總應(yīng)力等于于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a-a平面上的有效應(yīng)力為與靜水情況相比，當(dāng)有向下滲流作用時(shí)，a-a平面上的總應(yīng)力保持不變，孔隙水應(yīng)力減少了γwh。因而，證明了總應(yīng)力不變的條件下孔隙水應(yīng)力的減少等于有效應(yīng)力的等量增加。問(wèn)：滲透力等于？同理可推導(dǎo)向上滲流的情況。與靜水情況相比，當(dāng)有向上滲流作用時(shí)，a-a平面上的總應(yīng)力保持不變，孔隙水應(yīng)力增加了γwh，而有效應(yīng)力相應(yīng)地減少了γwh

。因而，又一次證明在總應(yīng)力不變的條件下孔隙水應(yīng)力的增加等于有效應(yīng)力的等量減少。思考題：地下水的滲流狀態(tài)對(duì)地基中的有效應(yīng)力有何影響，你知道的與地下水滲流狀態(tài)有關(guān)的工程問(wèn)題有哪些？四、根據(jù)流網(wǎng)確定孔隙水應(yīng)力按照上述孔隙水應(yīng)力的定義，一旦流網(wǎng)繪出以后，滲流場(chǎng)中任一點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力即可由該點(diǎn)的測(cè)壓管中的水柱高度乘以水的重度得到。當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于下游靜水位以下時(shí)，按照測(cè)壓管中水柱高度算出的孔隙水應(yīng)力是由兩部分組成的：其一是由下游靜水位產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力，通常將這一部分孔隙水應(yīng)力稱(chēng)為靜孔隙水應(yīng)力；其二是由滲流所引起的，即超過(guò)靜水位的那一部分測(cè)壓管水柱所產(chǎn)生的孔隙水應(yīng)力,通常將這一部分孔隙水應(yīng)力稱(chēng)為超靜孔隙水應(yīng)力土體的超靜孔隙水應(yīng)力除可由滲流產(chǎn)生以外，荷載（動(dòng)的或靜的）也能夠在土體內(nèi)引起超靜孔隙水應(yīng)力?！纠}3－3】如圖所示，若地基上的土粒比重Gs為2.68，孔隙率n為38.0％，試求：（1）a點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力？（2）滲流逸出處1－2是否會(huì)發(fā)生流土？（3）圖中網(wǎng)格9，10，11，12上的滲流力是多少？【解】（1）由圖中可知，上下游的水位差h=8m，等勢(shì)線(xiàn)的間隔數(shù)N＝10，則相鄰兩等勢(shì)線(xiàn)間的水頭損失Δh=h/10=8/10=0.8m。a點(diǎn)在第二根等勢(shì)線(xiàn)上，因此，該點(diǎn)的測(cè)壓管水位應(yīng)比上游水位低Δh=0.8m。從圖中直接量得下游靜水位至a點(diǎn)的高差haˊ=10m，而超過(guò)下游靜水位的高度應(yīng)為ha〞=h-Δh＝8-0.8＝7.2m。則a點(diǎn)測(cè)壓管中的水位高度hw＝haˊ+ha〞=10+7.2=17.2m。所以，a點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力為：u=γwhw=9.8×17.2=168.56kPa其中由下游靜水位引起的靜孔隙水應(yīng)力為

uˊ=γwhaˊ=9.8×10=98kPa而由滲流引起的超靜孔隙水應(yīng)力為

u〞=γwha〞=9.8×7.2=70.56kPaa點(diǎn)的總應(yīng)力為

σ＝γwh1+γsat(haˊ-h2)其中土的飽和重度

γsat＝ρsat×9.8=ρw[1+(Gs-1)(1-n)]×9.8

＝[1+(2.68-1)(1-0.38)]×9.8＝20kN/m3代入上式得總應(yīng)力為

σ＝9.8×10+20×(10-2)=98+160=258kPa

于是，根據(jù)有效應(yīng)力原理，a點(diǎn)的有效應(yīng)力為

σˊ＝σ-u=258-168.56=89.44kPa（2）從圖中直接量得網(wǎng)格1，2，3，4的平均滲徑長(zhǎng)度ΔL=8m，而任一網(wǎng)格上的水頭損失均為Δh=0.8m，則該網(wǎng)格的平均水力梯度為i=Δh/ΔL＝0.8/8=0.1該梯度即近似代表地面1－2處的逸出梯度ie。流土的臨界水力梯度為

icr=(Gs-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04＞ie所以，滲流逸出處1－2不會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象。（3）從圖中直接量得網(wǎng)格9，10，11，12的平均滲徑長(zhǎng)度ΔL=5.0m，兩流線(xiàn)間的平均距離b=4.4m，網(wǎng)格的水頭損失Δh=0.8m，所以作用在該網(wǎng)格上的滲流力為

J＝