土的滲透性及滲流課件

第3章土的滲透性及滲流

一概述土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)。當(dāng)土作為建筑物的地基和直接用作建筑材料時，水就會在水位差的作用下，從水位較高的一側(cè)透過土的孔隙流向水位較低的一側(cè)。關(guān)于防滲墻防滲墻射水法施工防滲墻水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，說自身的量（涌水量，滲水量）、質(zhì)（水質(zhì)）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題。土的問題土的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(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基地穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結(jié)構(gòu)物中常常會由于水的滲透而造成內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；非飽和的坡面會由于水分的滲透而造成土的強(qiáng)度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題。二Darcy滲透定律由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大，流速緩慢層流水在土中的滲透速度和試樣兩端水面間的水位差成正比，而與滲徑長度成反比

流速與水力梯度的關(guān)系－砂土砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關(guān)系，符合達(dá)西滲透定律。流速與水力梯度的關(guān)系－粘土對于密實(shí)的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值后，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。我們將這一開始發(fā)生滲透時的水力梯度成為粘性土的起始水力梯度ib粘性土不但存在起始水力梯度，而且當(dāng)水力梯度超過起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還偏離達(dá)西滲透定律而呈非線性關(guān)系。為方便，用虛直線來描述密實(shí)粘土地滲透速度與水力梯度的關(guān)系，用以下形式表示。流速與水力梯度的關(guān)系－粘土注意按照達(dá)西定律求出的滲透速度是一種假想的平均流速，它假定水在土中的滲透是通過土體截面來進(jìn)行的。實(shí)際上，水在土體中的實(shí)際流速要比用達(dá)西定律求出的流速要大得多。，他們之間的關(guān)系為Darcy滲透定律的適用條件太沙基通過大量試驗(yàn)證明從砂土到粘土達(dá)西滲透定律在很大的范圍內(nèi)都能適用，其適用范圍是由雷諾系數(shù)來決定的，也就是說只有當(dāng)滲流為層流的時候才能適用。根據(jù)水的密度ρ，流速v，水的粘滯系數(shù)η，土粒粒子平均粒徑d，可以算出雷諾數(shù)ReDarcy滲透定律的適用條件從層流轉(zhuǎn)換為紊流時的Re數(shù)一般為0.1~7.5的范圍，而一般認(rèn)為在土的孔隙內(nèi)水流只要雷諾數(shù)<1.0，達(dá)西定律就可以滿足。因此達(dá)西定律的適用界限可以考慮為三滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定可以分為現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)兩大類。一般，現(xiàn)場試驗(yàn)比室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果要準(zhǔn)確可靠。因此，對于重要工程常需進(jìn)行現(xiàn)場測定。室內(nèi)測定土地滲透系數(shù)的儀器和方法很多，但就其原理來講，可分為常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)兩種，前者適用于透水性強(qiáng)的無粘性土，后者適用于透水性弱的粘性土。常水頭法常水頭法就是在整個試驗(yàn)過程中，水頭保持不變，試驗(yàn)裝置如圖用量筒和秒表測出某一時刻t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V，即可求出流過土體的流量，再根據(jù)達(dá)西定律求解k變水頭法粘性土，滲透系數(shù)小，流經(jīng)水量少變水頭法在整個試驗(yàn)過程中，水頭是隨著時間而變化的，試驗(yàn)裝置如圖，試樣的一端與細(xì)玻璃管相接，在試驗(yàn)過程中測出某一時段內(nèi)細(xì)玻璃管中水位的變化，就可根據(jù)達(dá)西定律求出水的滲透系數(shù)。變水頭法土的滲透系數(shù)參考值土類滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫>10-1高滲透性純礫與礫混合物10-3~10-1中滲透性極細(xì)砂10-5~10-3低滲透性粉土、砂與粘土混合物10-7~10-5極低滲透性粘土<10-7幾乎不透水影響滲透系數(shù)的因素很多，諸如土的種類、級配、孔隙比及水的溫度等。因此，為了準(zhǔn)確地測定土的滲透系數(shù)，必須盡力保持土的原始狀態(tài)并消除人為因素的影響成層土的滲透系數(shù)天然沉積土往往由滲透性不同的土層組成。對于與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況，當(dāng)各層的滲透系數(shù)和厚度已知時，我們可以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)行滲透計(jì)算的依據(jù)。與層面垂直的情況與層面垂直的情況水流連續(xù)原理達(dá)西定律任一土層流量整個土層的水頭損失流網(wǎng)及其特征滲流場中任一點(diǎn)的水頭是其坐標(biāo)的函數(shù)，因此求解滲流問題的第一步就是先確定滲流場中各點(diǎn)的水頭，亦即求解滲流基本微分方程滿足拉普拉斯方程的將是兩組彼此正交的曲線，一組稱為等勢線（各點(diǎn)水頭相等），另一組稱為流線（表示滲流的方向），等勢線和流線交織在一起形成的網(wǎng)格叫流網(wǎng)只有滿足邊界條件的那一種流線和等勢線的組合形式才是拉普拉斯方程的正確解答流網(wǎng)及其特征求解方法解析法數(shù)值法電擬法比較精確，但只有在邊界條件簡單的情況下才能求解有限差分法（FDM）有限單元法（FEM）電網(wǎng)絡(luò)模擬邊界條件比較復(fù)雜的滲流典型流網(wǎng)分析接近壩底，流線密集，水力梯度大，滲透速度大遠(yuǎn)離壩底，流線稀疏，水力梯度小，滲透速度小流網(wǎng)特征流線與等勢線彼此正交每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)，為了方便常取1，這時的網(wǎng)格就成為正方形或曲邊正方形相鄰等勢線間的水頭損失相等各流槽的滲流量相等滲流力及滲透穩(wěn)定滲流土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題管涌、流土等水庫塌岸岸坡、土壩在水位降落時引起的滑動滲流力的概念水在土中流動能量消耗力圖拖曳土粒水頭損失滲透水流施于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力稱為滲流力滲透力、動水壓力滲流力的概念流土、浮沖、砂沸滲流力存在abcdUw1Uw2FsWw滲流力的概念滲流力的概念滲流力的概念滲流力的概念1點(diǎn)，滲流力與重力方向一致，滲流力促使土體壓密，對穩(wěn)定有利2點(diǎn)，3點(diǎn)，滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不利3點(diǎn)，滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利滲透變形的形式按照滲透水流引起的局部破壞特征，滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形式流土是指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。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流逸出處?；踊蚯篱_挖時所出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象是流土的一種常見形式流土流土管涌管涌指在滲流作用下土體的細(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。主要發(fā)生在砂礫土中。管涌管涌管涌管涌的治理反濾倒?jié)B管涌的治理反濾圍井管涌的治理蓄水反壓整體破壞－水庫塌岸按滲透變形劃分土的類型管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不會發(fā)生管涌在不大的水力梯度下就可以發(fā)生管涌流土型管涌型管涌土的劃分管涌土發(fā)展性管涌土非發(fā)展性管涌土管涌型土過渡型土流土型土非管涌土土土的類型與滲透變形型式粘性土無粘性土過渡型土只有流土而無管涌與土的顆粒組成、級配和密度等因素有關(guān)與密度有關(guān)，大密度流土，小密度管涌土的臨界水力梯度抗?jié)B強(qiáng)度：土體抵抗?jié)B透破壞的能力，通常以瀕臨滲透破壞時的水力梯度表示，一般稱為臨界水力梯度或抗?jié)B梯度流土型土的臨界水力梯度逸出處單位土體臨界水力梯度流土型土的臨界水力梯度流土的臨界水力梯度決定于土的物理性質(zhì)，當(dāng)土的比重和孔隙率已知時，則土的臨界水力梯度是一定值，一般在0.8~1.2之間根據(jù)豎向滲流不考慮周圍土體的約束作用情況下推得的，因此，按此式求得臨界水力梯度偏小，一般比試驗(yàn)值要小15％～20％粘性土的臨界水力梯度粘性土由于粒間粘結(jié)力的存在，其臨界水力梯度較大。粘性土與無粘性土的流土破壞機(jī)理不同，后者是由于滲流力的作用，前者則還與土體表面的水化崩解作用（水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑有關(guān)。水科院建議對粘性土逸出梯度與滲透穩(wěn)定流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于流土狀態(tài)逸出梯度與滲透穩(wěn)定滲透逸出的水力梯度實(shí)際上是不可求出的，通常是把滲流逸出處的流網(wǎng)網(wǎng)格的平均水力梯度作為逸出梯度。在設(shè)計(jì)時，為保證建筑物的安全，通常要求將逸出梯度限制在容許梯度之內(nèi)管涌型土的臨界水力梯度管涌是單個土粒在土體中移動和帶出，水科院提出的管涌土臨界水力梯度的計(jì)算公式為根據(jù)滲流場中單個土粒收到的滲流力、浮力以及自重作用時的極限平衡條件，并結(jié)合試驗(yàn)資料分析而得到管涌土的臨界水力梯度流速與水力梯度的關(guān)系臨界水力梯度與不均勻系數(shù)的關(guān)系土的不均勻系數(shù)越大，臨界水力梯度越小。結(jié)論不是絕對的臨界水力梯度與細(xì)料含量的關(guān)系滲透變形特性主要取決于細(xì)料的含量，或者說取決于細(xì)料填充粗料孔隙的程度。臨界水力梯度與滲透系數(shù)的關(guān)系無粘性土的滲透性與滲透變形特性有著直接的關(guān)系，對于不均勻土，如果透水性強(qiáng)，抵抗?jié)B透變形的能力就差，如果透水性弱，抵抗?jié)B透變形的能力就強(qiáng)防止?jié)B透變形的方法減小水力梯度（降水頭，增加滲徑）

水平防滲在滲流逸出處加蓋壓重或設(shè)置反濾層垂直防滲飽和土體中的孔隙水應(yīng)力孔隙水應(yīng)力：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，常用u表示?？紫端畱?yīng)力的特性與通常的靜水壓力一樣，方向始終垂直于作用面，任一點(diǎn)的孔隙水應(yīng)力在各個方向是相等的。飽和土體中的有效應(yīng)力有效應(yīng)力：通過粒間接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力，只有有效應(yīng)力才能使得土體產(chǎn)生壓縮（或固結(jié)）和強(qiáng)度。把研究平面內(nèi)所有粒間接觸面上接觸力的法向分力之和除以所研究平面的總面積所得的平均應(yīng)力來定義有效應(yīng)力飽和土體中的有效應(yīng)力太沙基有效應(yīng)力原理對飽和土體內(nèi)某一研究平面有效應(yīng)力原理當(dāng)總應(yīng)力保持不變時，孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化，即孔隙水應(yīng)力減?。ㄔ龃螅┑扔谟行?yīng)力的等量增加（減?。┓浅Ｖ匾。§o水條件下水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力穩(wěn)定滲流作用下

水平面上的孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力向下滲流