第二章土的滲透性及滲流

1、第二章第二章 土的滲透性及滲流土的滲透性及滲流主要內(nèi)容主要內(nèi)容l 2.1 土的滲透性及舉例土的滲透性及舉例l 2.2 土的水理性質(zhì)土的水理性質(zhì)l 2.3 地下水的運動方式和判別地下水的運動方式和判別l 2.4 達西定律及其適應范圍達西定律及其適應范圍l 2.5 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定l 2.6 二維滲流及流網(wǎng)應用二維滲流及流網(wǎng)應用l 2.7 滲透力、潛蝕和流沙的危害及防治滲透力、潛蝕和流沙的危害及防治l 2.8 滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力2.1 2.1 土的滲透性及舉例土的滲透性及舉例p 由于土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)，當土中兩點存在著能量差由于土是具有

2、連續(xù)孔隙的介質(zhì)，當土中兩點存在著能量差時，也就是存在水位差時，水就在土的孔隙中從能量高的點時，也就是存在水位差時，水就在土的孔隙中從能量高的點（水位高的點）向能量低的點流動。這種水透過土體孔隙的現(xiàn)（水位高的點）向能量低的點流動。這種水透過土體孔隙的現(xiàn)象就叫做象就叫做滲透（滲流）。滲透（滲流）。p 土具有被水等液體透過的性質(zhì)叫土具有被水等液體透過的性質(zhì)叫滲透性。滲透性。p 土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應力狀態(tài)的變化或是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應力狀態(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

3、或產(chǎn)生有害變形的問題?；虻鼗姆€(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層滲流量滲流量滲透變形滲透變形土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流透水層透水層不透水層不透水層板樁墻板樁墻基坑基坑板樁圍護下的基坑滲流板樁圍護下的基坑滲流滲流量滲流量滲透變形滲透變形滲流量滲流量滲流時地下水位滲流時地下水位渠道滲流渠道滲流透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q滲流滑坡滲流滑坡土的水理性質(zhì)：土的水理性質(zhì)：土體在水的作用及其變化的條件下，產(chǎn)生土土體在水的作用及其變化的條件下，產(chǎn)生土的物理、力學狀態(tài)及性質(zhì)的變化以及對工程的影響。的物理、力學狀

4、態(tài)及性質(zhì)的變化以及對工程的影響。這里主要討論以下的兩方面問題：這里主要討論以下的兩方面問題：u 土的毛細水性質(zhì)土的毛細水性質(zhì)u 土的凍脹土的凍脹2.2 2.2 土的水理性質(zhì)土的水理性質(zhì)土的毛細水性質(zhì)土的毛細水性質(zhì) 土的毛細現(xiàn)象：土的毛細現(xiàn)象：土中水在表面張力作用下，沿著細的孔隙向上土中水在表面張力作用下，沿著細的孔隙向上及向其他方向移動的現(xiàn)象。及向其他方向移動的現(xiàn)象。土能夠產(chǎn)生毛細現(xiàn)象的性質(zhì)稱為土能夠產(chǎn)生毛細現(xiàn)象的性質(zhì)稱為土的毛細性。土的毛細性。土的毛細性對工程的影響：土的毛細性對工程的影響：l 毛細水上升是引起路基凍害的因素之一毛細水上升是引起路基凍害的因素之一l 對于房屋建筑，毛細水的上升

5、會引起地下室過分潮濕對于房屋建筑，毛細水的上升會引起地下室過分潮濕l 毛細水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對工程及農(nóng)業(yè)毛細水的上升可能引起土的沼澤化和鹽漬化，對工程及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟都有很大的影響經(jīng)濟都有很大的影響土的凍脹土的凍脹 l 地下水位較高處的粉砂、粉土、粉影響凍脹的因素有下列三地下水位較高處的粉砂、粉土、粉影響凍脹的因素有下列三個方面：（個方面：（1）土的因素；（）土的因素；（2）水的因素；（）水的因素；（3）溫度的因素）溫度的因素l 上述三方面的因素是土層發(fā)生凍脹的三個必要條件。其結(jié)論上述三方面的因素是土層發(fā)生凍脹的三個必要條件。其結(jié)論是：在持續(xù)負溫作用下，質(zhì)粘土等土層常具有較大的凍脹

6、危害。是：在持續(xù)負溫作用下，質(zhì)粘土等土層常具有較大的凍脹危害。l 主要措施主要措施：將構(gòu)筑物基礎(chǔ)底面置于當?shù)貎鼋Y(jié)深度（可查有關(guān)：將構(gòu)筑物基礎(chǔ)底面置于當?shù)貎鼋Y(jié)深度（可查有關(guān)規(guī)范）以下，以防止凍害的影響。規(guī)范）以下，以防止凍害的影響。 2.3 2.3 地下水的運動方式和判別地下水的運動方式和判別地下水：地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情況外，地下水總是處地下水位以下的重力水。除特殊情況外，地下水總是處在運動狀態(tài)之中。在運動狀態(tài)之中。地下水的運動方式的分類：地下水的運動方式的分類： 按流線形態(tài)：層流、湍流按流線形態(tài)：層流、湍流 按水流特征隨時間的變化狀況分為：穩(wěn)定流運動、非穩(wěn)流運動按水流特征隨時

7、間的變化狀況分為：穩(wěn)定流運動、非穩(wěn)流運動 按水流在空間上的分布狀況分為：一維流動、二維流動、三維按水流在空間上的分布狀況分為：一維流動、二維流動、三維流動流動地下水運動的基本方式地下水運動的基本方式l 雷諾（英國）雷諾（英國）1883年得出了劃分層流與湍流的定量界限，稱年得出了劃分層流與湍流的定量界限，稱雷雷諾數(shù)。諾數(shù)。l 圓管中水的流動雷諾數(shù)：圓管中水的流動雷諾數(shù)：式中：式中：v為圓管水流的速度，為圓管水流的速度，cm/s；d為圓管的直徑，為圓管的直徑，cm；s為水的運動粘滯系為水的運動粘滯系數(shù)，也稱斯托克斯系數(shù)，數(shù)，也稱斯托克斯系數(shù)，1ST=1cm2/s。當溫度。當溫度T=0攝氏度時，攝氏

8、度時，；當溫度；當溫度T=30攝氏度時，攝氏度時，l 根據(jù)計算結(jié)果根據(jù)計算結(jié)果當當Re（20002300）時屬湍流。）時屬湍流。地下水運動方式的判別地下水運動方式的判別雷諾數(shù)雷諾數(shù)sdRescms/1079. 122scms/1001. 822 式中，式中，z為位置水頭；為位置水頭； 壓力水頭；壓力水頭； 為流速水頭，流為流速水頭，流速水頭近似等于速水頭近似等于0。 水的滲流是由水頭勢能驅(qū)動，從水頭高（勢能大）的地方流水的滲流是由水頭勢能驅(qū)動，從水頭高（勢能大）的地方流向水頭低（勢能?。┑牡胤?。向水頭低（勢能?。┑牡胤健? 1、各種水頭概念及水力坡降、各種水頭概念及水力坡降 水頭水頭(wate

9、r head)：單位重量水體所具有的能量。：單位重量水體所具有的能量。 滲流中一點滲流中一點的總水頭的總水頭h可用下式表示可用下式表示 gvuzhw22幾個重要的概念幾個重要的概念wug22wuzh上式可寫為上式可寫為ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準面基準面水力坡降線水力坡降線wAA1uzh wBB2uzh hhh21wuzh Lhi A A點總水頭：點總水頭：B B點總水頭：點總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：水力坡降：滲流流過單位長度時的水頭損失。滲流流過單位長度時的水頭損失。 水力坡降的物理意義注意：注意：土體中兩點是否會發(fā)生滲流，只取決于總水頭差，土體中兩點是否會發(fā)

10、生滲流，只取決于總水頭差， 若若hAhB時，才會發(fā)生水從總水頭高的點向總水頭低的點流動時，才會發(fā)生水從總水頭高的點向總水頭低的點流動（但水并非一定向低處流但水并非一定向低處流）。）。2 2、管內(nèi)水流動的兩種形式、管內(nèi)水流動的兩種形式（1）流動時相鄰的兩質(zhì)點流線永不相交的流動稱為）流動時相鄰的兩質(zhì)點流線永不相交的流動稱為層流層流。（2） 若水流動時，相鄰的兩個質(zhì)點流線相交，流動時將出現(xiàn)若水流動時，相鄰的兩個質(zhì)點流線相交，流動時將出現(xiàn)漩渦，這種流動稱為漩渦，這種流動稱為湍流湍流。 土體中水的流速很小可看作為層流。土體中水的流速很小可看作為層流。2.4 2.4 達西定律及其適用范圍達西定律及其適用范

11、圍 達西（達西（H.Darcy），），18031858，法國水力，法國水力工程師。工程師。1856年，達西發(fā)表了著名的多孔介質(zhì)年，達西發(fā)表了著名的多孔介質(zhì)地下水運動或流動的報告，報道了他所做的關(guān)地下水運動或流動的報告，報道了他所做的關(guān)于水在沙柱中流動的實驗。達西發(fā)現(xiàn)通過沙柱于水在沙柱中流動的實驗。達西發(fā)現(xiàn)通過沙柱的流量與所用砂的透水性和觀測點的水頭有關(guān)，的流量與所用砂的透水性和觀測點的水頭有關(guān)，該關(guān)系的數(shù)學表達式即為該關(guān)系的數(shù)學表達式即為達西定律達西定律。 可以說，達西的發(fā)現(xiàn)首次從數(shù)量上揭示了多可以說，達西的發(fā)現(xiàn)首次從數(shù)量上揭示了多孔介質(zhì)中水流與多孔介質(zhì)滲透性之間的數(shù)量關(guān)孔介質(zhì)中水流與多孔介質(zhì)

12、滲透性之間的數(shù)量關(guān)系，使多孔介質(zhì)中地下水流計算成為可能?，F(xiàn)系，使多孔介質(zhì)中地下水流計算成為可能?，F(xiàn)代地下水流計算中，幾乎所有的經(jīng)典計算方法代地下水流計算中，幾乎所有的經(jīng)典計算方法和計算模型，都是直接或間接地由達西定律推和計算模型，都是直接或間接地由達西定律推倒而得來。所以可以毫不夸張地說，達西是水倒而得來。所以可以毫不夸張地說，達西是水文地質(zhì)學的奠基人之一，他的實驗成果開創(chuàng)了文地質(zhì)學的奠基人之一，他的實驗成果開創(chuàng)了一門研究地下水流在多孔介質(zhì)中運動的科學一門研究地下水流在多孔介質(zhì)中運動的科學地下水動力學地下水動力學。 一、達西滲透定律一、達西滲透定律 由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動

13、時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。于層流。 著名的著名的達西達西(Darcy)滲透定律，滲透定律， 滲透速度：滲透速度： 或滲流量為：或滲流量為：hvkkiLkiAvAq式中：式中：v-水在土中的滲透速度，水在土中的滲透速度，cm/s。它不是地下水的實際流速，而是在單位時間它不是地下水的實際流速，而是在單位時間（sec）內(nèi)流過單位土截面（）內(nèi)流過單位土截面（cm2）的水量（）的水量（cm3），是土體斷面的平均滲透速，是土體斷面的平均滲透速度；度；i-水力梯度，即土中兩點的水頭差

14、水力梯度，即土中兩點的水頭差 (如下圖，為如下圖，為H1-H2)與兩點間的流線長度（與兩點間的流線長度（L）之比；）之比；k-土的滲透系數(shù)，土的滲透系數(shù)，cm/s，與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。，與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。必須指出，由式（必須指出，由式（2-1）求出的）求出的滲透速度滲透速度v 是一種是一種假想的平均流假想的平均流速速，因為它假定水在土中的滲透是通過整個土體截面來進行的，因為它假定水在土中的滲透是通過整個土體截面來進行的，而實際上，滲透水僅僅通過土體中的孔隙流動，實際平均流，而實際上，滲透水僅僅通過土體中的孔隙流動，實際平均流速速v 要比假想的平均流速大很多。要比假想的平均

15、流速大很多。它們之間的關(guān)系為：它們之間的關(guān)系為：eevnvv1二、達西滲透定律的適用條件二、達西滲透定律的適用條件l 只有當滲流為只有當滲流為層流層流的時候才能適用達西滲透定律。的時候才能適用達西滲透定律。l 達西滲透定律的適用界限可以考慮為：達西滲透定律的適用界限可以考慮為： 滿足達西滲透定律的土的平均粒徑滿足達西滲透定律的土的平均粒徑: : l 對于比粗砂更細的土來說，達西滲透定律一般是適用的，對于比粗砂更細的土來說，達西滲透定律一般是適用的，而對粗粒土來講，只有在水力坡降很小的情況下才能適用。而對粗粒土來講，只有在水力坡降很小的情況下才能適用。0vdRemmvd52.0Re/粘性土粘性土

16、： l 對于粘性很大的密實粘土，有一起始對于粘性很大的密實粘土，有一起始坡降坡降i0 ，當，當i i0 時，水流擠開結(jié)合水時，水流擠開結(jié)合水膜的堵塞，滲流才能發(fā)生，如右下圖所膜的堵塞，滲流才能發(fā)生，如右下圖所示。示。voi0i粘土顆粒滲流結(jié)合水膜)(0iikv三、兩種特殊情況三、兩種特殊情況礫土（粗顆粒）礫土（粗顆粒）： 只有在水力坡降很小的情況下才能適用；在較大水力梯度下只有在水力坡降很小的情況下才能適用；在較大水力梯度下，水在土中的流動進入湍流狀態(tài)，滲流速度與水力梯度呈非線，水在土中的流動進入湍流狀態(tài)，滲流速度與水力梯度呈非線性關(guān)系，此時達西定律不能適用，如圖（性關(guān)系，此時達西定律不能適用

17、，如圖（c）所示。）所示。 滲透系數(shù)滲透系數(shù)是直接衡量土的透水性強是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的力學性質(zhì)指標。弱的一個重要的力學性質(zhì)指標。一、實驗室內(nèi)測定滲透系數(shù)一、實驗室內(nèi)測定滲透系數(shù) 可分為：可分為：常水頭試驗和變水頭試驗常水頭試驗和變水頭試驗（一）常水頭法（一）常水頭法 在整個試驗過程中，水頭保持不變在整個試驗過程中，水頭保持不變。常水頭法適用于。常水頭法適用于透水性強的無粘性透水性強的無粘性土土，土的滲透系數(shù)：，土的滲透系數(shù)： htAQLk2.5 2.5 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定AtLhkkiAtvAtQ（二）變水頭法（二）變水頭法 在整個試驗過程中，水頭是隨著在整個試驗過程

18、中，水頭是隨著時間而變化的，適用于時間而變化的，適用于透水性弱的透水性弱的粘性土，粘性土，土的滲透系數(shù)：土的滲透系數(shù)： 2112lnhhttAaLk或或2112lg3 . 2hhttAaLk 設細玻璃管的內(nèi)截面積為設細玻璃管的內(nèi)截面積為a，實驗開始后任一，實驗開始后任一時刻時刻t的水位差為的水位差為h，經(jīng)時段，經(jīng)時段dt，細玻璃管中水位，細玻璃管中水位下落下落dh，則在時段，則在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量內(nèi)流經(jīng)試樣的水量adhdQ式中負號表示滲流量隨式中負號表示滲流量隨h的減小而增加的減小而增加AdtlhkdQ hdhkAaLdt將上式兩邊積分將上式兩邊積分hdhkAaLdthhtt2121即可

19、得到土的滲透系數(shù)即可得到土的滲透系數(shù)2112lnhhttAaLk或或2112lg3 . 2hhttAaLk二、成層土的滲透系數(shù)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，當各土層的滲透系數(shù)和厚度為面平行和垂直的簡單滲流情況，當各土層的滲透系數(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)，作為進行滲流計算的依據(jù)。數(shù)，作為進行滲流計算的依據(jù)。 如上圖如上圖(a) 所示與層面平行的滲流情況。通過整個土層的總滲流量所示與

20、層面平行的滲流情況。通過整個土層的總滲流量qx應為應為各土層滲流量之總和，即各土層滲流量之總和，即niixnxxxxqqqqq121根據(jù)達西定律，總滲流量又可表示為根據(jù)達西定律，總滲流量又可表示為iHkqxx式中，式中，kx為與層面平行的土層平均滲透系數(shù)；為與層面平行的土層平均滲透系數(shù)；i為土層的平均水力梯度。為土層的平均水力梯度。任一土層的滲流量為任一土層的滲流量為iiixiHkq將式（將式（b）、（）、（c）代入式（）代入式（a）得）得niiixiHkiHk1整個土層與層面平行的整個土層與層面平行的平均滲流系數(shù)平均滲流系數(shù)：niiixHkHk11（a）（b）（c）通過整個土層的總滲流量通過

21、整個土層的總滲流量qy應為通過各土層的滲流量，即應為通過各土層的滲流量，即nyyyyqqqq21設滲流通過任一土層的水頭損失為設滲流通過任一土層的水頭損失為hi，水力梯度，水力梯度ii為為hi/Hi，則通過整個土層的水頭總損失則通過整個土層的水頭總損失h應為應為 ，總的平均水力梯，總的平均水力梯度度i應為應為h/H，由達西定律得總滲透量為，由達西定律得總滲透量為ihHhkqyy式中，式中，ky為與層面垂直的土層平均滲透系數(shù)；為與層面垂直的土層平均滲透系數(shù)；A為滲流截面積。為滲流截面積。通過任一土層的滲流量為通過任一土層的滲流量為AikAHhkqiiiiiiy將（將（a）、（）、（b）代入（）代

22、入（a），消去），消去A可得可得iiyikHhk整個的水頭總損失為整個的水頭總損失為niiinnHiHiHiHih12211（a）（b）（c）整個土層與層面垂直的整個土層與層面垂直的平均滲流系數(shù)平均滲流系數(shù)為：為：niiinnykHHkHkHkHHk12211)(2.6 2.6 二維滲流和流網(wǎng)的特征二維滲流和流網(wǎng)的特征一一、拉普拉斯方程拉普拉斯方程在穩(wěn)定流的條件下，在均勻且各向同性介質(zhì)中的滲流，其滲流在穩(wěn)定流的條件下，在均勻且各向同性介質(zhì)中的滲流，其滲流場可以用拉普拉斯方程來描述。場可以用拉普拉斯方程來描述。 式中：式中：h為滲流的水頭或水頭差為滲流的水頭或水頭差流線可以用流函數(shù)流線可以用流函

23、數(shù) 來描述，在均勻且各向同性介質(zhì)中的來描述，在均勻且各向同性介質(zhì)中的滲流，流函數(shù)滿足拉普拉斯方程滲流，流函數(shù)滿足拉普拉斯方程等勢線可以用勢函數(shù)等勢線可以用勢函數(shù)02222yhxh),(zx02222zx),(zx02222zx 就滲流問題來說，一就滲流問題來說，一組曲線稱為組曲線稱為等勢線等勢線，在任，在任一條等勢線上各點的總水一條等勢線上各點的總水頭是相等的；另一組曲線頭是相等的；另一組曲線稱為稱為流線流線，它們代表滲流，它們代表滲流的方向。等勢線和流線垂的方向。等勢線和流線垂直交織在一起形成的網(wǎng)格直交織在一起形成的網(wǎng)格叫叫流網(wǎng)流網(wǎng)。二二、流網(wǎng)及其特征流網(wǎng)及其特征02222yhxh 對于各向

24、同性的滲透介質(zhì)，流網(wǎng)具有下列特征：對于各向同性的滲透介質(zhì)，流網(wǎng)具有下列特征：l 流線與等勢線彼此正交；流線與等勢線彼此正交；l 每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；每個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)；l 相鄰等勢線間的水頭損失相等；相鄰等勢線間的水頭損失相等；l 各流槽的滲流量相等。各流槽的滲流量相等。2.7 2.7 滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治滲流力、潛蝕和流沙的危害及防治一、滲流壓力的概念一、滲流壓力的概念 在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變形的剛體，發(fā)生滲流時，受到土粒的阻力，引起水頭損變形的剛體，發(fā)生滲流時，受到土粒的阻力，引起水頭損失，同時水

25、也對土顆粒施加滲流作用力，失，同時水也對土顆粒施加滲流作用力，單位體積土骨架單位體積土骨架所受到的滲流作用力稱為滲流壓力所受到的滲流作用力稱為滲流壓力(seepage force or seepage pressure)或動水壓力，用或動水壓力，用Gd表示。表示。滲流壓力的計算滲流壓力的計算如圖所示，如圖所示，A1A2水柱上作用著水柱上作用著4個力，即個力，即Fhfw11Fhfw22A1A2水柱的自重在流線方向上的分力：水柱的自重在流線方向上的分力：cos3LFfw土的顆粒骨架對滲流水阻力：土的顆粒骨架對滲流水阻力：TFLf 4根據(jù)力的平衡，在根據(jù)力的平衡，在A1A2水柱上各力的平衡關(guān)系式為水

26、柱上各力的平衡關(guān)系式為0cos21TLFFhLFFhwww將將 代入上式代入上式LZZ21cos 滲流壓力滲流壓力是一種體積力，單位是是一種體積力，單位是kN/m3。滲流壓力的大小和。滲流壓力的大小和水力梯度成正比，方向與滲流方向一致。水力梯度成正比，方向與滲流方向一致。 02211TLhZZhwwww02211TLhZZhw212211HHZhZhLHHi21iTwiTGwd基本類型基本類型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞。土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞。形成條件形成條件 防治措施防治措施 二、滲透破壞類型二、滲透破壞類型l在滲流情況下，地下水

27、對巖土的礦物、化學成分產(chǎn)生溶蝕、濾在滲流情況下，地下水對巖土的礦物、化學成分產(chǎn)生溶蝕、濾液后這些成分被帶走以及水流將細小顆粒從較大顆粒的孔隙中直液后這些成分被帶走以及水流將細小顆粒從較大顆粒的孔隙中直接帶走，這種作用叫接帶走，這種作用叫潛蝕潛蝕。l潛蝕是巖土體內(nèi)部的水土流失，在滲流出口處表現(xiàn)為管狀涌水潛蝕是巖土體內(nèi)部的水土流失，在滲流出口處表現(xiàn)為管狀涌水并帶出細小顆粒，所以潛蝕也稱并帶出細小顆粒，所以潛蝕也稱管涌管涌。l原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大1 1、潛蝕、潛蝕2 2、流砂或流土、流砂或流

28、土l 在自下而上的滲流發(fā)生時，滲流壓力的大小超過土重度，土在自下而上的滲流發(fā)生時，滲流壓力的大小超過土重度，土顆粒完全失重，土體的表面隆起、浮動或某顆粒群懸浮、移動顆粒完全失重，土體的表面隆起、浮動或某顆粒群懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流土的現(xiàn)象稱為流土( (soil boiling) )。l 流土現(xiàn)象比較容易在粉細沙，粉土地層中發(fā)生流土現(xiàn)象比較容易在粉細沙，粉土地層中發(fā)生，所以常稱為所以常稱為流沙。流沙。地震引起的砂土液化地震引起的砂土液化發(fā)生流沙的條件發(fā)生流沙的條件l 當當豎向滲流力等于土體的有效重量（浮重度）豎向滲流力等于土體的有效重量（浮重度）時，土體就時，土體就處于流土臨界狀態(tài)。當發(fā)生自下而

29、上的滲流且水力梯度大于處于流土臨界狀態(tài)。當發(fā)生自下而上的滲流且水力梯度大于或等于臨界水力梯度時，就會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象?；虻扔谂R界水力梯度時，就會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。l 以瀕臨滲透破壞時的水力梯度稱為以瀕臨滲透破壞時的水力梯度稱為臨界水力梯度。臨界水力梯度。wswdediG11浮重度浮重度滲流壓滲流壓力力edndisswcr1111【例例2-1】 如圖裝置，土樣厚度如圖裝置，土樣厚度L=25cm，水頭差，水頭差h=20cm。(1)計算滲流壓力的大小。計算滲流壓力的大小。(2)若砂土的土粒相對密度若砂土的土粒相對密度2.68, e=0.72, 是否會出現(xiàn)流土現(xiàn)象？是否會出現(xiàn)流土現(xiàn)象？(3) 若要出現(xiàn)流土，計

30、算最小的水頭差。若要出現(xiàn)流土，計算最小的水頭差。解：（解：（1）滲流壓力的大小為：）滲流壓力的大小為：3/8102520mKNLhiGwwd（2）計算土樣的浮重度）計算土樣的浮重度3/76. 91072. 01168. 211mKNedwsdG不會出現(xiàn)流土不會出現(xiàn)流土（3）當）當i=icr時剛好發(fā)生流土時剛好發(fā)生流土976. 0wcriLhiicrcmLihcr4 .2425976. 02.8 2.8 滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力wwhu一一、飽和土體中的孔隙水壓（應）力和有效應力飽和土體中的孔隙水壓（應）力和有效應力AFN 把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應力稱為

31、把通過粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應力稱為有效應有效應力力。我們常把研究平面內(nèi)所有粒間接觸面上的接。我們常把研究平面內(nèi)所有粒間接觸面上的接觸力的法向分力之總和觸力的法向分力之總和FN,除以所研究平面的總面除以所研究平面的總面積積A所得到的平均應力來定義有效應力。所得到的平均應力來定義有效應力。FSFSFNFN 把飽和土體中由孔隙水來承擔或傳遞的壓力定義為把飽和土體中由孔隙水來承擔或傳遞的壓力定義為孔隙水壓孔隙水壓力力，常以，常以u表示。表示。 其值等于該點的測壓管水柱高度其值等于該點的測壓管水柱高度hw，與水的，與水的重度重度 的乘積。的乘積。w A：Aw：As：土單元的截面積土單元的截面積顆粒接觸點的

32、截面積顆粒接觸點的截面積孔隙水的截面積孔隙水的截面積S Sw wA A = = A A + + A Aaauuu uuuu(1)sAuAu)1 (把孔隙水壓力和有效應力之和稱為把孔隙水壓力和有效應力之和稱為總應力總應力。uAAFAsN)(uAAAFsN)1 ( 式中：式中：a為研究平面內(nèi)粒間接觸面積所占的比值。可忽略不計。為研究平面內(nèi)粒間接觸面積所占的比值?？珊雎圆挥?。著名的有效應力原理二二、在靜水條件下水平面上的孔隙水應力和有效應力在靜水條件下水平面上的孔隙水應力和有效應力12wsathh12wwwuhhh121222wsatwsatwuhhhhhh h2h1粘土層粘土層satsat水水 w

33、 w12wsathh1whw w1 12 2u u = = h h + + h hw w1 12 2u u = = h h + + h h2hsat 12sathh地下水位下降引起地下水位下降引起 增大的部分增大的部分h h1 1h h2 2= =-u-uu=u=w wh h2 2u=u=w wh h2 2地下水位下降會引起地下水位下降會引起增大，土會產(chǎn)生增大，土會產(chǎn)生壓縮，這是城市抽水壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個引起地面沉降的一個主要原因。主要原因。（一）滲流方向由上向下（一）滲流方向由上向下hwh12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhh

34、hh h2h1砂層，排水砂層，排水粘土層粘土層satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh2whh12wuhhh三三、在穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應力和有效應力在穩(wěn)定滲流作用下水平面上的孔隙水應力和有效應力（二）滲流方向由下向上（二）滲流方向由下向上12wsathh12wwwuhhhh121222wsatwsatwwwuhhhhhhhhh hhwh2h1砂層，承壓水砂層，承壓水粘土層粘土層satsat水水 w w12wsathh1wh12wuhhh12wuhhh2whhhhwh2h1砂層，承壓水砂層，承壓水粘土層粘土層satsat水水 w w20whh dwwGihh2靜水

35、條件和滲流情況下的應力情況比較靜水條件和滲流情況下的應力情況比較12wsathh1wh12wuhh2h12wsathh1wh12wuhhh2whh12wsathh1wh2whh12wuhhhl 流網(wǎng)繪出以后，滲流場中任一點的孔隙水壓力即可由該點的測壓管中的水流網(wǎng)繪出以后，滲流場中任一點的孔隙水壓力即可由該點的測壓管中的水柱高度柱高度(或稱壓力水頭）乘以水的重度得到。或稱壓力水頭）乘以水的重度得到。l 當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壓當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壓力是由兩部分組成的：力是由兩部分組成的：其一其一是由下游靜水位產(chǎn)生的

36、孔隙水壓力，通常將這一是由下游靜水位產(chǎn)生的孔隙水壓力，通常將這一部分孔隙水壓力稱為靜孔隙水壓力；部分孔隙水壓力稱為靜孔隙水壓力；其二其二是由滲流所引起的，即超過靜水位是由滲流所引起的，即超過靜水位的那一部分測壓管水柱所產(chǎn)生的孔隙水壓力的那一部分測壓管水柱所產(chǎn)生的孔隙水壓力,通常將這一部分孔隙水壓力稱為通常將這一部分孔隙水壓力稱為超靜孔隙水壓力。超靜孔隙水壓力。四四、根據(jù)流網(wǎng)確定孔隙水壓力根據(jù)流網(wǎng)確定孔隙水壓力 注意注意：土體的超靜孔隙水壓力：土體的超靜孔隙水壓力除可由滲流產(chǎn)生以外，荷載（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)動的或靜的）也能夠在土體內(nèi)引起超靜孔隙水應力。引起超靜孔

37、隙水應力。均質(zhì)土壩壩體內(nèi)的流網(wǎng)均質(zhì)土壩壩體內(nèi)的流網(wǎng)【例例2-2】 如圖所示，若地基如圖所示，若地基上的土粒相對密度上的土粒相對密度ds為為2.68，孔隙率孔隙率n為為38.0， 試求試求：（1）a點的孔隙水應力和有效點的孔隙水應力和有效應力？應力？（2）滲流逸出處）滲流逸出處1-2是否會發(fā)是否會發(fā)生流土？生流土？（3）圖中網(wǎng)格）圖中網(wǎng)格9，10，11，12上的滲流力是多少？上的滲流力是多少？ a點在第二根等勢線上，因此，該點在第二根等勢線上，因此，該點的測壓管水位應比上游水位低點的測壓管水位應比上游水位低h=0.8m，從圖中直接量得下游靜水，從圖中直接量得下游靜水位至位至a點的高差點的高差 h

38、a=10m，而超過下，而超過下游靜水位的高度應為游靜水位的高度應為 ha=h-h8-0.87.2 m。 則則a點測壓管中的水位高度點測壓管中的水位高度 hw ha+ ha= 10+7.2=17.2 m。所以，所以，a點的孔隙水應力為點的孔隙水應力為 u=whw=9.817.2=168.56 kPa（1）由圖中可知，上下游的水位差）由圖中可知，上下游的水位差h=8m，等勢線的間隔數(shù)，等勢線的間隔數(shù)N10，則相鄰兩等勢線間的水頭損失則相鄰兩等勢線間的水頭損失h=h/10=8/10=0.8m。 其中由下游靜水位引起的靜孔隙水其中由下游靜水位引起的靜孔隙水應力為應力為 u= w ha=9.810=98 kPa，而由滲流引起的超靜孔隙水應力為而由滲流引起的超靜孔隙水應力為u= w ha=9.8 7.2=70.56 kPa，a點點的總應力為：的總應力為： w h1+ sat (ha-h2)。 其中土的飽和重度其中土的飽和重度satsat9.8= w1+(ds-1)(1-n) 9.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 kN/m3 代入上式得總應力為代入上式得總應力為9.8 10+20 (10-2) =98+160=258 kPa 于是，根據(jù)有效應力原理，于是，根據(jù)有效應力原理，a