土力學(xué)第章 土的滲透性

第3章土的滲透性3.1概述圖3.1土木工程中的滲流問題水在巖土體孔隙中的流動過程稱為滲透。巖土體具有滲透的性質(zhì)稱為巖土體的滲透性。圖3.1(a)土石壩滲流的例子，圖3.1（b）為隨洞開挖時，地下水的滲流。由水的滲透引起巖土體邊坡失穩(wěn)、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透塌陷等均屬于巖土體的滲透穩(wěn)定問題。水在孔隙介質(zhì)中的滲透問題，目前的研究在試驗及理論上都有一定的水平，在解決實際問題方面也能夠較好地反映土在孔隙介質(zhì)中的滲流的運動規(guī)律?？紫督橘|(zhì)中的滲流場理論，基本上描述了水在孔隙介質(zhì)中的滲透特性。水在裂隙介質(zhì)中的滲透，目前的研究還很不完善。由于裂隙介質(zhì)的復(fù)雜性，水在裂隙介質(zhì)中的滲透無論在理論上或是試驗方面都存在很多問題，在解決工程實際問題方面還很不成熟。巖土體的滲透性對工程設(shè)計、施工和安全運行都有重要的影響。圖3.1土木工程中的滲流問題本章主要介紹巖土體的滲透性的基本概念及土體滲透變形破壞的類型、滲透變形破壞產(chǎn)生的條件及壩基滲透穩(wěn)定性分析，其它內(nèi)容請參考有關(guān)書籍。圖3.2達西滲透試驗示意圖3.2土的滲透性圖3.2達西滲透試驗示意圖土體孔隙中的自由水，在重力作用下會發(fā)生運動。如基坑開挖排水施工期間地下水會源源不斷的流向基坑。這種土體被水透過的性質(zhì)，稱為土的滲透性。1896年，法國學(xué)者達西（Darcy,H.）根據(jù)砂土滲透實驗（圖3.2），發(fā)現(xiàn)水的滲透速度與水力坡降成正比，即達西定律：（3.1）v—滲透速度h—水頭差（m）L—滲徑（m）k—土的滲透系數(shù)（permeabilitycoefficient）（m/s）當(dāng)i=1時，v=k。這表明滲透系數(shù)k是單位水力坡降的滲透速度，它是表示土的滲透性強弱的指標(biāo)，一般由滲透試驗確定。常見土的滲透系數(shù)值見表3.1。由于達西定律只適用于層流的情況，故一般只適用于中砂、細砂、粉砂等。對粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土就不適用，因為此時水的滲透流速較大，已不是層流而是紊流。粘土中的滲流規(guī)律需將達西定律進行修正。在粘土中，土顆粒周圍存在著結(jié)合水，結(jié)合水因受到分子引力作用而呈現(xiàn)粘滯性。因此，粘土中自由水的滲流受到結(jié)合水的粘滯作用產(chǎn)生很大阻力，只有克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能開始滲流。我們把克服此粘滯阻力所需的水頭梯度，稱為粘土的起始水頭梯度I0。這樣，在粘土中應(yīng)按下述修正后的達西定律計算滲流速度：圖3.3砂土與粘土的滲透規(guī)律v=k(I-I0)(3.2)圖3.3砂土與粘土的滲透規(guī)律在圖3.3中繪出了砂土與粘土的滲透規(guī)律。直線a表示砂土的v-I關(guān)系，它是通過原點的一條直線。粘土的v-I關(guān)系是曲線b（圖中虛線所示），d點是粘土的起始水頭梯度，當(dāng)土中水頭梯度超過此值后水才開始滲流。一般常用折線c代表曲線b,即認(rèn)為e點是粘土的起始水頭梯度I0，其滲流規(guī)律用式(2.2)表示。土的滲透系數(shù)可用室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場抽水試驗來確定。3.3滲流場理論絡(luò)殼走資滲流連續(xù)方程淹降狼考慮屬圖豬3.4閥木中立方土堵體干dxdydz煤,太在滲流過程中磚，莖d里t艷時間內(nèi)楊在濟x蛛軸方向流進微少元體的流量為垃γ粘ω答v叮x匠d倦y喚d允z辭d葵t,任流出微元體的幫流量為誠，為在握x脂軸方向兩者的穴差值為簡，其中冰為意沿即x談軸方向的滲流虧速度，咳為流體的重度牛。同樣在泳時間內(nèi)，班在晴y緣軸卡和暫z支軸方向流進微刷元體和流出微決元體流量的差現(xiàn)值分別為顫和供。在土體孔隙澆率保持不變，亭流體不可壓縮豐條件下，微元息體釋在梢x捷、炭y旗、毒z太三個方向流如共總流量和流出乎總流量應(yīng)保持資不變，即下式元成立：碎辮斑（傭3.4坑）設(shè)簡化后上式變億為徹奇住誼蹤迎撒（講3.5雄）城式膚（憲3.5酒）剖滲流連續(xù)方程用式。饑土中的滲流滿伐足恨D(zhuǎn)arc魚y套定律時，即庭術(shù)浸律葬暗（恢3.6鵲）佳式把中誼h等腸－－總水頭或刊測壓管水頭簽燃觀―槳―兵分別捷為襯x苗、蜜y密、跡z尖方向的滲透系藥數(shù)。殺將式規(guī)（吧3.柜6璃）代入式啄（甚2.側(cè)5誼），棋得典醒間顫辛混（曬3.遲7煮）若，則有推善曬脊龍詞（裹3.創(chuàng)8限）甜對于二維滲流煮問題，差在哲x堅y序平面上，上式?jīng)_簡化為就紅貝表僻幟煤（京3.9旋）蘇式齒（位3.鬧9陪）常稱癢為唐Laplac壁e非方程。移姨流網(wǎng)及其特征甩靠潤由欲式嘗(3.9臉)夸可知，滲流場司內(nèi)任一點的水億頭是其坐標(biāo)的弊函數(shù)，而一旦外滲流場中各點傻的水頭為已知口，其他流動特舅性也就可以通爛過計算得出。男因此，作為求顧解滲流問題的卡第一步，一般薪就是先確定滲伐流場內(nèi)各點的劫水頭，亦即求置解滲流基本微瑞分方程旋式斃(3.9哪)姓。睛廣虛眾所周知，滿蓮足拉普拉斯方拴程的將是兩組坑彼此正交的曲組線。就滲流問血題來說，一組饒曲線稱為等勢祥線，在任一條嫂等勢線上各點司的總水頭是相庸等的，或者說屠，在同一條等慘勢線上的測壓極管水位都是同路高的；另一組仙曲線稱為流線兄，它們代表滲饒流的方向。等伐勢線和流線交遺織在一起形成針的網(wǎng)格叫流網(wǎng)弟。然而，必須心指出，只有滿燕足邊界條件的奔那腥—女—惹種流線和等勢個線的組合形式受才是方程攻式棍(3.9觸)號的正確解答。蟻迷執(zhí)為了求得滿足柿邊界條件的解鼓答，常用的方伴法主要有解析碼法、數(shù)值法和困電擬法三種。緩一般解析法是裳比較精確的，額但也只有在邊停界條件較簡單秋的情況才容易但得到，因此并鄉(xiāng)不實用。對于舞邊界條件比較淚復(fù)雜的滲流，慢一般采用數(shù)值禾法和電擬法。謀它們的原理請暈參閱有關(guān)著作哄，但不論采用況哪種方法求解吩，其最后結(jié)果江均可用流網(wǎng)表霉示。疾相食圖泰3.序5秋為壩基中的流暗網(wǎng)，虛線表示改等勢線，實線射表示流線。對占于各向同性的膜滲透介質(zhì)，流旱網(wǎng)具有下列特橋征：劫(1孟)蔽流線與等勢線噸彼此正交；洋(2仍)華每個網(wǎng)格的長灘度比為常數(shù)，窮為了方便常形取拐1屈，這時的網(wǎng)絡(luò)訴就為正方形或?qū)Ｇ呎叫?；?3象)鳥相鄰等勢線間扛的水頭損失相盟等；怨(4衛(wèi))蹲各流槽的滲流寄量相等。圖2.5壩體下滲流流網(wǎng)蓮流網(wǎng)一經(jīng)繪出模，我們就可以支從流網(wǎng)圖形上鞋直觀地獲得流的動特性的總輪伏廓。如蘭圖就3.春5翁所示愈接近壩慨底，流線愈密線集，表明該處虧的水力梯度愈撫大，滲透速度砍也愈大；而離厘壩底愈遠，流偉線愈稀疏，則找水力梯度愈小越。根據(jù)流網(wǎng)還曲可以定量地確徒定滲流場中的惠水頭，孔隙水想應(yīng)力和水力梯任度等。圖2.5壩體下滲流流網(wǎng)水力梯度實際上就是水力坡降。水力梯度實際上就是水力坡降。充3.4侄干滲透破壞的類越型凱3佛．鄭4勞．閱1懸徑滲透破壞的類慌型撞自頁5泰0涼年代以來，對溉巖土體滲透破煙壞主要從宏觀遲對比深入到機究理研究，根據(jù)盼滲透破壞的機冶理將破壞形式拴分為流土、管派涌、接觸流失渣和接觸沖刷四爽種形式，稱為挎土的滲透破壞達的四種模式。瓣前兩種模式發(fā)姻生在單一巖土畝層中，后兩種陪模式則發(fā)生在殲成層土中。等(1命)峰流土。在上升饞流作用下，年動水壓力陣超過土重度時身，土體的表面哲隆起、浮動或尤某一顆粒群的擱同時起動而流盞失的現(xiàn)象稱為嬸流土。流土主由要發(fā)生在滲流押出口無任何保屯護的部位。流飽土可使土體完嚇全喪失強度，鵲危及建筑物的巡安全。配(2短)計管涌。在滲流且作用下，土體襖中的細顆粒在唯粗顆粒形成的白孔隙中流失的壘現(xiàn)象稱為管涌材。主要發(fā)生在婆內(nèi)部結(jié)構(gòu)下穩(wěn)赤定的砂礫石層索中。速(3航)樹接觸流失。在餡土層分層較分墾明且滲透系數(shù)宿差別很大的兩但土層中，當(dāng)滲杜流垂直于層面猾運動時，將細吃粒印層戒(略滲透系數(shù)怪小維)役的細顆粒帶入賽粗粒暢層焦(德滲透系數(shù)較大價層在)堡的現(xiàn)象稱為接切觸流失。包括誠接觸管涌和接臣觸流土兩種類慌型。顫(4衫)括接觸沖刷。滲營流沿著兩種不板同粒徑組成的偽土層層面發(fā)生隙帶走細顆粒的拾現(xiàn)象。在自然諷界中，沿兩種并介質(zhì)界面諸如嬸建筑物與地基晨、土壩與涵管下等接觸面流動期促成的沖刷，拆均屬此破壞類改型。嘩狀滲透變形產(chǎn)生克的條件剖根據(jù)滲透破壞蒸的機理，可將襖產(chǎn)生滲透變形許的條件分為兩損種類型，其一據(jù)是動水壓力和桂土體結(jié)構(gòu)，它央們是產(chǎn)生滲透取變形的必要條恐件；另一類則杜是地質(zhì)條件和膏工程因素，稱革之為充分條件鬼。只有當(dāng)土具貪備充分必要條光件時，才發(fā)生削滲透破壞。耽1)盆醫(yī)滲流動水壓力賢和臨界水力坡幣度的概念圖3-6滲透壓力示意圖是地下水在松散厲介質(zhì)的孔隙中拌流動，土粒與艇水流相互包圍酷。由于水流流挑線間及水流與竹土粒間的摩阻辨力作用而產(chǎn)生故一定的水頭損揀失，水頭降低隆，故每一土粒裕在水頭差作用殖下，承受來自西水流的作用稅力膏—巖—身滲透力，也稱抖動水壓力。圖3-6滲透壓力示意圖度取一微單元體劃分析，設(shè)滲透扛水由下往上流蜻經(jīng)的長度和斷醬面面積分別為贈和什d蛾ω震，上下界面的惹水頭差為桐dh因(嚇圖礎(chǔ)3-6延)想，則單元土體必承受的總滲透攜壓力問為：做dp舒=凳γ主w見dhdw較李皂招鉤雁饑(寺3.10)單式中皮γ鴿w垃—搭—這水的重度；被將滲透力作用刺分解在土體的觀單位體政積上，稱之為鎖動水壓擊力馳D戴：震智捷踐閥住大(怕3.11)享式中符號含義佳同前。束動水壓力的作踢用方向與滲流資流向一致。一分般取議γ耀w管為黨10kN/m植3制，沖單元土體的浮漂重度為償γ短’合，則其水下重濤量飯dQ慮為：嚇dQ恭=斯γ夏w循dldw腔帝屆檔糾南(3.12)鑄當(dāng)范時，單元土體昂發(fā)生流土，此饅時的水力坡度店稱為流土型臨擇界水力坡度，碧以邁表示?；\Icr=叢γ果’軌/屬γ鹽w永班漆柔奮言(3.13)林由土的物理性河質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)它系欺,伯縮γ筐’針=(G保s留-1)(1-混n)旦，故有奉I(lǐng)女cr決煤=(G港s宴-1)(1-蔑n)/畏稀γ售w鑼鄰招傅段(3.14點)域式中豆G排S辯—橡－土粒比重；廟—巧—賴土的孔隙度。向式來(3.7悶)衰即為太沙基滲估流公式。由式撿可知，土粒密里度愈大，孔隙評度越小，臨界節(jié)水力坡度越大背，土體越不易扭發(fā)生滲透變形漏。傘式尤(3.7左)怪中未考慮土體絲本身強度的影此響，故實測的道往往比公式計凍算的要大，尤蚊2喂)史土的抗?jié)B強度風(fēng)土體抗?jié)B強度該是評價土體和參水工建筑物滲圓透穩(wěn)定的主要浮依據(jù)，一般指傘土體抵抗?jié)B透承破壞的能力。喇土體抗?jié)B強度綱的大小主要受膠土中顆粒級配最及細粒物質(zhì)的厲含量的影響。暈(1屈)爐粗細粒徑的比躍例。研究表明習(xí)，土體易于發(fā)聰生管涌的粗細梨粒徑比例為陪D/廉d怎＞毀2炎0底。土越疏松，哨細顆粒物質(zhì)在粘孔隙中隨滲流持運動越容易。地(2混)消細顆粒的含量站。大量試驗表秧明，當(dāng)細顆粒畝含量大劇于運3逝5訓(xùn)％時，滲透破總壞類型為流土澡型；當(dāng)細顆粒每含量小趕于于2狗5哭％時，則為管秤涌型；當(dāng)細顆隔粒含量咐在貌2纏5殊％應(yīng)～溉3傻5瓦％之間時，流瘋土和管涌均可達能發(fā)生，且主訪要取決于碎石照土的密實程度涼及細顆粒的組樓成，相對密度載＞堤0.3深3極、細顆粒不均綢勻系數(shù)較小的棉礫石類，一般垃發(fā)生流土，反去之則為管涌。蘆此外，細顆粒趴成分中粘粒含驢量增加可增大濱土的內(nèi)聚力，艙從而增大土體郊的抗?jié)B強度?；?3禾)鴉土的顆粒級配恨。土的級配用勉不均勻系數(shù)腔C棵u騙=d頌10迅/d迎t0屠表示。試驗表緞明：當(dāng)魄＜倡1趨0奴時，滲透變形鋸的主要形式為驢流土；當(dāng)防＞淡2褲0件時，主要形式旬為管涌；當(dāng)蟻在唱1張0栽～偷2射0殖之間時，流土獨和管涌均可能撈發(fā)生。臨界水殿力坡度與不均谷勻系數(shù)的關(guān)系餃可用早圖勁3.魂7漢表示。農(nóng)3梁)士地質(zhì)條件對滲印透變形的影響齡(顫1)轎地層分布特征豆。地層分布特等征對滲透變形心的影響主要表事現(xiàn)在壩基下。數(shù)單一的砂礫石欣層，以管涌型迅滲透變形為主懂。對于雙層及敞多層結(jié)構(gòu)的土管層，滲透變形魔取決于表層粘程性土的性質(zhì)、罵厚度和分布范挎圍。若粘性土蛙層厚且分布范僵圍大，盡管下纏臥砂礫石層水小力梯度大，也脅不易發(fā)生滲透嫌變形。仗(奮2)宮地形地貌條件牙。溝谷深切影勤響了滲流的補肆給條件，尤其焦是壩基上、下犁游的溝谷將表渡土層切穿，則蝶有利于滲流的舅補給，并使?jié)B叉徑短而增大水秧力梯度；若下往游地下水逸出弄段的滲流出口蘿具有臨空條件班，則有利于滲陽透變形的發(fā)生濤。另外，在古償河道及洪積平左原前較近部位晚修筑水工建筑慢物時，應(yīng)特別婦注意滲透變形思的可能性及其惠類型。4)工程因素頂工程因素對滲忘透變形的影響霸主要包括大壩辮和汲水井的滲況流出口條件、芹庫水位驟降、獵施工破壞透水?dāng)貙蛹敖ㄖ锏鬃忻孑喞取Ｈ缱⑽覈l(fā)生的幾康起土石壩滲透蒙變形及潰壩事綢件，與滲流出參口部位未加?？幼o都有很大的瘡關(guān)系。深基坑誓開挖時，由于黨破壞了隔水層獄而造成基坑坑安壁坍塌等，也氣屬于工程因素棵造成滲透破壞訪類型。慶3錫.券5搖肌有效應(yīng)力原理較3.5害.1揮膜有效應(yīng)力原理習(xí)的基本概念減有效應(yīng)力原理騰是太沙基劃于菠193汗6旬年首次論述的盤，其研究對象族是飽和土。如乒前所述，飽和洪土是由固體顆母粒組成的骨架役和充滿其間的汁水兩部分組成懶。當(dāng)外力作用災(zāi)于飽和土體后俘，一部分由土康的骨架承擔(dān)，償并通過顆粒之司間的接觸面?zhèn)鞅f，這部分稱零為研粒間應(yīng)力誓；定義為仙有效應(yīng)力明。另一部分由伴水承擔(dān)。水不鋪能承擔(dān)剪應(yīng)力朽，但能承擔(dān)法俊向應(yīng)力，并可彩以通過連通的妙孔隙水傳遞，主這部分水壓力匆稱為圾孔隙水壓力唇。有效應(yīng)力原備理的研究內(nèi)容蒙就是研究飽和初土中這兩種應(yīng)仔力的不同性質(zhì)為和它們與全部口應(yīng)力的關(guān)系。秤有效應(yīng)力原理歉歸納起來可由置下面兩個要點值表達：廟1畜）喝哀飽和土體內(nèi)任茫一平面上受到換的全部應(yīng)力可遲分為有效應(yīng)力隱和孔隙水壓力乏兩部分。其關(guān)系如下：（5－25）撕式中，弱σ漸為作用于任意啞面上的全部應(yīng)潛力（自重應(yīng)力前與附加應(yīng)力）勵；戴港σ鄉(xiāng)′鉛為有效應(yīng)力，冬作用于同一平鳴面的土的骨架絡(luò)上，也稱粒間側(cè)應(yīng)力；橡讀u舊為孔隙水壓力狼，作用于同一河平面的孔隙水越上，性質(zhì)與普栽通靜水壓力相斯同。棄2劣）稍挨土的變形與強艇度的變化僅決猛定于有效應(yīng)力王的變化。應(yīng)換言之，引起桿土的體積壓縮頁和抗剪強度發(fā)令生變化的，不賺是作用在土體漸上的全部外力撞，而是總外力挽與孔隙水壓力損之差，即有效拔應(yīng)力?？紫端鑹毫Ρ旧聿荒芫┦雇涟l(fā)生變形驚和強度的變化籌。這是因為水喘壓力各方向相攏等，均衡的作僚用于每個土顆不粒周圍，不會鞏使土顆粒移動敞。孔隙水壓力朝除了使土顆粒西受到浮力外，等只能使土顆粒嚴(yán)受到靜水壓力丹。由于固體顆警粒的彈性模掀量耗E破很大，故固體犬顆粒本身的壓蛇縮可以忽略不述計。此外，水種不能承受剪應(yīng)擦力，因此孔驢隙水壓力自身肚的變化也不會賄引起土的抗剪的強度的變化。值需要說明的是弓，對于非飽和南土，由于孔隙兔中是水和空氣幸，孔隙壓力由冬孔隙水壓力和李孔隙氣壓力兩郊部分組成，對雨此，畢肖甫于香1960澇年對有效應(yīng)力暑公式作了修正鉆，考慮了孔隙蘆氣壓力。但是肌迄今為止，國測內(nèi)外在有效應(yīng)役力原理的研究炊和應(yīng)用上，對昆于飽和土都公攪認(rèn)是行之有效簡的，而對于非壇飽和土，還存飾在著許多問題黑。污3.5炊.2填惡飽和土中自重令應(yīng)力作用下的踩孔隙水壓力和節(jié)有效應(yīng)力的計賽算純圖育5匙－趣2轎4a迫為一地層剖面到，地下水位于蠟地面以下深度慧H1盆處，地下水位劣以上的土的濕鋸容重為遙r1競，地下水位以拴下為飽和土，權(quán)容重為達rsat悠?，F(xiàn)求地下水沫位以下飽和土片層中勾A特點的豎向總應(yīng)毛力膨σ霸、孔隙水壓力夏u穩(wěn)和有效應(yīng)力執(zhí)σ籠'塌。凈作用寄在栽A總點水平面上的且總應(yīng)力謊σ仍等于該點以上堤單位土柱和水掩柱的總重量