3第三土的滲透性

1、第第3章章 土中水的滲透規(guī)律土中水的滲透規(guī)律主要內(nèi)容主要內(nèi)容l概 述l達(dá)西滲透定律l滲透系數(shù)的測(cè)定l成層土的滲透系數(shù)l影響土滲透性的因素l滲透作用對(duì)土的影響第第1節(jié)節(jié) 概述概述l滲透滲透：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)。l土具有被水透過(guò)的性能稱為土的滲透性滲透性。l土的滲透性問(wèn)題問(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。l一、滲透模型l對(duì)滲流作出的假設(shè)：1）不考慮路徑的迂回曲折，2）不考慮土體中顆粒的影響l應(yīng)符合以下要求：l1）在同一過(guò)水?dāng)嗝?/p>

2、，滲流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量。l2）在任一界面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲流的壓力相等l3）在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等第二節(jié)第二節(jié) 達(dá)西定律達(dá)西定律a)b)圖2-1 滲流模型a）水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng)軌跡；b）理想化的滲流模型eevnvv1l1、滲透速度vl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?，因此滲透速度v實(shí)際上為假想平均流速，并非真實(shí)平均流速。l2、水力坡度il水力坡度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

3、摩擦阻力所消耗的機(jī)械能。l二、達(dá)西滲透定律l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。l著名的達(dá)西滲透定律： 滲透速度： 或滲流量為：kilhkvkifvfql滲透系數(shù)kl滲透系數(shù)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)。l透水率透水率：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)。達(dá)西滲透定律的適用條件ldarcy定律只適用于層流條件，一般中砂、細(xì)砂、粉砂等細(xì)粒土中水的流速滿足層流條件，而粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土中水流速較大，是紊流而不是層流，故不適

4、用達(dá)西定律。l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，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)合水的抗剪強(qiáng)度后才能開始滲流。故粘土中的滲透規(guī)律必須將達(dá)西定律進(jìn)行修正。)(0iikv圖 2-3 砂 土 和 粘 土 的 滲 透 規(guī) 律dea流速cbfioo水 頭 梯 度第第3節(jié)節(jié) 滲透系數(shù)的測(cè)定滲透系數(shù)的測(cè)定l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)。l一、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)l就原理而言，可分為：常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)。l（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vftqql

5、hkkivhftqlk（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。adhdqfdtlhkdqhdhkfaldthdhkfaldthhtt212121122112lg)(3 . 2ln)(hhttfalhhttfalk 第四節(jié) 成層土的滲透系數(shù)l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)kh：各土層的水頭梯度相同，總的流量等于各土層流量之和，總的面積等于各土層面積之和。2121圖2-8 成層土的滲透系數(shù)l每一分層的單寬流

6、量為：l總的單寬流量為：l或 lhhkqiiiniiininiiiihklhlhhkqq111lhhkqhniiihhklhlhhk1niiniiihhhkk11垂直于層面的滲透系數(shù)kv：總的流量等于每一土層的流量，總的面積與每層的面積相同，總的水頭損失等于每一層的水頭損失之和。2121圖2-8 成層土的滲透系數(shù)qqqqqni21iiiihhfkqniihh1fkqhhiiihhfkqvfkhqhvniiiniivkhhk11第五節(jié)第五節(jié) 影響土的滲透性的因素影響土的滲透性的因素l一、土的粒度成分及礦物成分：細(xì)粒含量愈多，細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透

7、性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。l二、結(jié)合水膜的厚度：粘性土中的結(jié)合水膜較厚，粘性土中的結(jié)合水膜較厚，會(huì)減小土的孔隙，降低土的滲透性。會(huì)減小土的孔隙，降低土的滲透性。l三、土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造：土的成層構(gòu)造使土的各向滲透土的成層構(gòu)造使土的各向滲透性不同。性不同。l四、水的粘滯度：動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變動(dòng)力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則化。水溫愈高，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。愈大。l五、土中氣體：土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。

8、封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。第第6節(jié)節(jié) 滲透作用對(duì)土的影響滲透作用對(duì)土的影響l滲流所引起的穩(wěn)定問(wèn)題：1)局部穩(wěn)定問(wèn)題，又稱為滲透變形問(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、滲流力的概念一、滲流力的概念l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)土粒上的拖曳力稱為滲透力。滲透力。l總滲透力：lh1h2haw h1 a= w h2a +jj=wh1a-

9、wh2a=w(h1 - h2)a=whal單位體積滲透力：gd=j/(al)=wha/(al) =w ij 滲透力，kn/m3；i 水力坡度；w 水的重度,kn/m3l滲透力為體積力以孔隙水為研究對(duì)象以孔隙水為研究對(duì)象l滲流力gd大小與水力坡降成正比，方向與滲流方向一致，是體積力，其量綱為kn/m3二、滲透變形l（一）滲透變形的形式l滲透變形可分為：流砂和管涌?jī)煞N基本形式。l流砂流砂：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。l管涌管涌：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。 滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，滲透水流將土

10、體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形導(dǎo)致土體變形滲透變形問(wèn)題（流土，管涌）滲透變形問(wèn)題（流土，管涌） 1.流土流土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土 粒群同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象粒群同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象 流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞淤泥等較易發(fā)生流土破壞 2.管涌管涌在滲流作用下，無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒通過(guò)較大顆

11、粒在滲流作用下，無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒通過(guò)較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象的孔隙，發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象 土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過(guò)程，是一種漸進(jìn)性的破壞展一般有個(gè)時(shí)間過(guò)程，是一種漸進(jìn)性的破壞 3.流土與管涌的判別流土與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級(jí)配滲透變

12、形的形式與土的類別、顆粒級(jí)配以及水力條件等因素有關(guān)以及水力條件等因素有關(guān) 粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)cu10的勻粒砂土，在的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞 對(duì)對(duì)cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況的砂和礫石、卵石，分兩種情況: :1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時(shí)，由于阻力較小，只）時(shí)，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌要較小的水力坡降，就易

13、發(fā)生管涌2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為量約為30%35%），此時(shí)的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而），此時(shí)的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象l（二）土的臨界水力梯度l土體抵抗?jié)B透破壞的能力，稱為抗?jié)B強(qiáng)度。 以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度表示，稱為臨界水臨界水力梯度或抗?jié)B梯度力梯度或抗?jié)B梯度. 1、流土型土的臨界水力梯度l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ngiggswcrwdd11wcri/ ndiscr11 在工程計(jì)算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全在工程計(jì)算中，將土的

14、臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)系數(shù)fs(23)，作為允許水力坡降，作為允許水力坡降i。設(shè)計(jì)時(shí)，為保設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降許坡降i內(nèi)內(nèi)scrfiiil2、管涌型土的臨界水力梯度l管涌土的臨界水力梯度可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。l與土的顆粒大小及其級(jí)配情況有關(guān)，一般而言，土的不均勻系數(shù)cu越大，管涌現(xiàn)象越容易發(fā)生。滲流工程問(wèn)題與處理措施滲流工程問(wèn)題與處理措施 l一、滲流工程問(wèn)題一、滲流工程問(wèn)題1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不僅對(duì)水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對(duì)地下水不僅對(duì)水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮

15、托力，并對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力 2.地下水的潛蝕作用地下水的潛蝕作用 在施工降水等活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土在施工降水等活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。顆粒受到?jīng)_刷，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層中砂、粉土地層中 3.流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土體流動(dòng)，使地表塌陷或建流砂在工程施工中能造成大量的土體流動(dòng)，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來(lái)很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。筑物的地基破壞，給施工帶來(lái)很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生

16、，在地下水位以下的基坑開挖、通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動(dòng)中常出現(xiàn)埋設(shè)地下管道、打井等工程活動(dòng)中常出現(xiàn) 4.基坑突涌基坑突涌 當(dāng)基坑下部有承壓水層時(shí)，開挖基坑減小了底板隔水層的厚當(dāng)基坑下部有承壓水層時(shí)，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會(huì)沖度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會(huì)沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌基坑突涌hhwl二、防滲處理措施二、防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物滲流處理措施 水工建筑物的防滲工程措施一般以水工建筑物的防滲工

17、程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”為原則，上為原則，上游截滲、延長(zhǎng)滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B游截滲、延長(zhǎng)滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形透變形 垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的: :延長(zhǎng)滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能延長(zhǎng)滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截?cái)嗤杆畬?，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截?cái)嗤杆畬?，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲等均屬于垂直截滲 設(shè)置水平鋪蓋設(shè)置水平鋪蓋 上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長(zhǎng)了水流滲透路徑上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長(zhǎng)了水流滲透路徑 粘土鋪蓋

18、粘土鋪蓋設(shè)置反濾層設(shè)置反濾層 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無(wú)粘性土組成，也反濾層可由粒徑不等的無(wú)粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層 排水減壓排水減壓 粘性土粘性土含水層含水層減壓井減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時(shí)，設(shè)置為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時(shí)，設(shè)置減壓井或深挖排水槽減壓井或深挖排水槽 2.基坑開挖防滲措施基坑開挖防滲措施工程降水工程降水 采用明溝排水和井點(diǎn)降水的方法人工降低地下水位采用明溝排水和井點(diǎn)降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位面一級(jí)抽水后水位一級(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位多級(jí)井點(diǎn)降水多級(jí)井點(diǎn)降水要求地下水位降得較深，要求地下水位降得較深，采用井點(diǎn)降水。在