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，水就會透過土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動。土具有被水透過的性能稱為土的滲透性。土的滲透性問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)生有害變形的問題。第2節(jié)達(dá)西滲透定律Darcy試驗裝置一、達(dá)西滲透定律由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動狀態(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由于過水?dāng)嗝鎤實際上是試樣的橫截面積，并非真實的過水?dāng)嗝?，因此滲透速度v實際上為假想平均流速，并非真實平均流速。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)滲透長度的比值。水頭損失是由于水質(zhì)點運動中為了克服水質(zhì)點之間的摩擦阻力而消耗了機械能，因此水力坡度是水流通過單位滲透途徑為克服摩擦阻力所消耗的機械能。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l～10時，地下水的運動才符合Darcy定律。（2）絕大多數(shù)的天然地下水運動仍服從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：對于某些粘性土，存在一個起始水力坡度J0，當(dāng)實際水力坡度小于起始水力坡度J0時，幾乎不發(fā)生流動。第3節(jié)滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。一、實驗室內(nèi)測定滲透系數(shù)就原理而言，可分為：常水頭試驗和變水頭試驗。（一）常水頭法是在整個試驗過程中，水頭保持不變。一、實驗室內(nèi)測定滲透系數(shù)常水頭試驗裝置（二）變水頭法在整個試驗過程中，水頭是隨著時間而變化的。

課堂自學(xué)內(nèi)容（1）例題[3-1]要求（1）時間：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。對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況，當(dāng)各土層的滲透系數(shù)和厚度為已知時，我們可求出整個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)及其特征就滲流問題來說，一組曲線稱為等勢線；另一組曲線稱為流線，它們代表滲流的方向。等勢線和流線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)流線與等勢線彼此正交；2)每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；3)相鄰等勢線間的水頭損失相等；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)定問題：1)局部穩(wěn)定問題，又稱為滲透變形問題；2)整體穩(wěn)定問題。應(yīng)該指出，局部穩(wěn)定問題如不及時加以防治，同樣會釀成整個建筑物的毀壞。一、滲流力的概念水在土體中流動時，將會引起水頭的損失。這種水頭損失是由于水在土體孔隙中流動時，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)土粒上的拖曳力稱為滲透力。總滲透力：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：流土和管涌兩種基本形式。流土：在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時起動而流失的現(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)生移動并被帶出的現(xiàn)象。土可細(xì)分為： 管涌型土 過渡型土 流土型土 分類依據(jù)（詳見課本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，稱為抗?jié)B強度。以瀕臨滲透破壞時的水力梯度表示，稱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，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試驗來測定。試驗時除了根據(jù)肉眼觀察細(xì)土粒的移動來判斷管涌外，還可借助于水力梯度i與流速v之間的變化來判斷管涌是否出現(xiàn)。3、臨界水力梯度的試驗資料（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，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承擔(dān)或傳遞的應(yīng)力定義為孔隙水應(yīng)力通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(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，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，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：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，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，滲流場中任一點的孔隙水應(yīng)力即可由該點的測壓管中的水柱高度乘以水的重度得到。當(dāng)計算點位于下游靜水位以下時，按照測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)力稱為靜孔隙水應(yīng)力；其二是由滲流所引起的，即超過靜水位的那一部分測壓管水柱所產(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（動的或靜的）也能夠在土體內(nèi)引起超靜孔隙水應(yīng)力。【例題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點的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力？（2）滲流逸出處1－2是否會發(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，等勢線的間隔數(shù)N＝10，則相鄰兩等勢線間的水頭損失Δh=h/10=8/10=0.8m。a點在第二根等勢線上，因此，該點的測壓管水位應(yīng)比上游水位低Δh=0.8m。從圖中直接量得下游靜水位至a點的高差haˊ=10m，而超過下游靜水位的高度應(yīng)為ha〞=h-Δh＝8-0.8＝7.2m。則a點測壓管中的水位高度hw＝haˊ+ha〞=10+7.2=17.2m。所以，a點的孔隙水應(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的平均滲徑長度ΔL=5.0m，兩流線間的平均距離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＝