chapter3—土滲透性

1、第二章第二章 土的滲透及工程問題土的滲透及工程問題2.1 2.1 概述概述主要內(nèi)容：滲透規(guī)律和土體的滲透穩(wěn)定問題研究對象：飽和土體“土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的土中的水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是運(yùn)動(dòng)著的”基本概念基本概念水的滲透：水的滲透：在水位差的作用下，水透過土體孔隙的在水位差的作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象。現(xiàn)象。土的滲透性：土的滲透性：土具有被水透過的性能，稱為土的滲土具有被水透過的性能，稱為土的滲透性。透性。滲透力：滲透力：滲透水流施加于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力。滲透水流施加于單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力。問題問題：水的滲透和土的滲透性會(huì)引起哪些工程問題？：水的滲透和土的

2、滲透性會(huì)引起哪些工程問題？河灘路堤下的滲流河灘路堤下的滲流 滲透的危害滲透的危害 滲漏問題滲漏問題：造成水量的損失，影響工程效益。：造成水量的損失，影響工程效益。 滲透變形滲透變形：將引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變：將引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。 滲流控制問題：滲流控制問題：當(dāng)滲流量和滲透變形不能當(dāng)滲流量和滲透變形不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，要采用工程措施加以控制。滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，要采用工程措施加以控制。2.2 2.2 達(dá)西定律及其適用范圍達(dá)西定律及其適用范圍（一）滲透（一）滲透土孔隙

3、中的自由水在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。滲流模型基本假定： 不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向； 滲流模型 認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。 同一過水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量；同一過水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量； 滲流模型 相同體積內(nèi)，滲流模型所受阻力與真實(shí)滲流相等。相同體積內(nèi)，滲流模型所受阻力與真實(shí)滲流相等。1.滲流速度 斷面面積為A，通過的滲透流流量為q，則平均流速為：v=q/A 真實(shí)滲流僅發(fā)生在孔隙面積A內(nèi)，因此真實(shí)流速為：v0=q/A 于是 v/v

4、0=A/A=n “模型的平均流速要小于真實(shí)流速”能量是用水頭來表示：能量是用水頭來表示：22wuvhzgz 位能水頭;u靜水壓力;w水重度;h-總水頭wuhz2.水頭 如果忽略流速的影響，則如果忽略流速的影響，則v-流速AAAhHZ/AAwHuBBBhHZ/BBwHuABhhh 3.水頭差(A點(diǎn)與B點(diǎn)) 水力梯度水力梯度: :單位流程總水頭的變化。單位流程總水頭的變化。hiL4.水力坡降 l水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；注意：l最關(guān)心的不是水頭而是水頭差；最關(guān)心的不是水頭而是水頭差；l水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動(dòng)。水在土中的滲流是從高水頭向低水

5、頭流動(dòng)。 法國學(xué)者達(dá)西(Darcy),砂土砂土實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1852-1855） 滲透速度與水力梯度成正比：v=ki或 q=kiA式中：v滲透速度(m/s)； i水力梯度； k滲透系數(shù)(m/s)； q滲透流量(m3/s) A截面積(m2) 。 Darcy滲透定律（二）（二） Darcy滲透定律滲透定律例題2-1 兩種土,土樣1位于土樣2的上部，長度都是20cm,總水頭損失40cm，土樣l滲透系數(shù)為0.03cm/s，土樣2水力坡降為0.5。求土樣2的滲透系數(shù)和土樣1的水力坡降。 Darcy滲透定律解 水頭損失之和等于總水頭損失： h1+h2=h=40cm 根據(jù)水力坡降的概念，有 i2=h2/L2=0

6、.5， 而L2=20cm得 h2=10cm h1=h-h2=40-10=30cm 土樣1的水力坡降 i1=h1/L1=1.5水在土樣1和土樣2中滲流時(shí)的速度相同:v=k1i1=k2i2 得 k2=0.09cm/s。 Darcy滲透定律q達(dá)西定律只適用于層流 適用于中砂、細(xì)砂、適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等粉砂等 粗砂、礫石、卵石粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土不適合。等粗顆粒土不適合。 水力坡度與滲流速度關(guān)系（三）（三） Darcy定律適用范圍定律適用范圍q 粘土不完全符合達(dá)西定律，需進(jìn)行修正 砂土和粘土的滲透規(guī)律 粘土中存在起始水頭梯度粘土中存在起始水頭梯度i0 修正后：修正后：v=k(i-i0) 右圖

7、繪出砂土與粘土的比較右圖繪出砂土與粘土的比較。 關(guān)于起始水力坡降是否存在也有不同觀點(diǎn)。關(guān)于起始水力坡降是否存在也有不同觀點(diǎn)。3.3 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法現(xiàn)場試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)-適用于中、粗砂變水頭試驗(yàn)-適用于粘性土（一）滲透試驗(yàn)簡介（一）滲透試驗(yàn)簡介1.常水頭滲透試驗(yàn) 常水頭滲透試驗(yàn) hQqtkiAtkAtL則得則得QLkhAt故滲透系數(shù)為 截面積為截面積為A，流徑，流徑L； 壓力水頭維持不變；壓力水頭維持不變； 試驗(yàn)開始時(shí)，水自上而下流經(jīng)土樣；試驗(yàn)開始時(shí)，水自上而下流經(jīng)土樣； 待滲流穩(wěn)走后，測得水量待滲流穩(wěn)走后，測得水量Q； 同時(shí)讀得同時(shí)讀得a、b兩點(diǎn)水頭差兩點(diǎn)水頭差

8、 h。常水頭滲透試驗(yàn)裝置2.變水頭滲透試驗(yàn) 變水頭滲透試驗(yàn) 土樣的截面積A，高度為L 儲(chǔ)水管截面積為a 試驗(yàn)開始儲(chǔ)水管水頭為h0 經(jīng)過時(shí)間t后降為h1 時(shí)間dt內(nèi)水頭降低dh，水量為：dQ=-adh另外 dQ=kiAdt=k(h/L)Adt流入和流出相等：adh= k(h/L)Adt 0101ln()haLttkAh0101ln()()haLkA tth由此求得滲透系數(shù)：1100()ththaLdhdtkAh整理并積分得aLdhdtkAh 即變水頭滲透試驗(yàn)裝置 分析表分析表2-3-1滲透系數(shù)值滲透系數(shù)值: 可見：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大可見：不同土類的滲透系數(shù)值差異很大表2-3-1 滲透系

9、數(shù)參考值 滲透系數(shù)的測定十分重要滲透系數(shù)的測定十分重要（1）土粒的大小、礦物成分和級(jí)配（2）土的孔隙比（3）水的溫度（4）土中氣體含量（5）土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響（二） 影響土的滲透性的因素（三）成層土的滲透性（三）成層土的滲透性2.4 滲流作用下土的應(yīng)力狀態(tài)滲流作用下土的應(yīng)力狀態(tài) 補(bǔ)充內(nèi)容：有效應(yīng)力原理補(bǔ)充內(nèi)容：有效應(yīng)力原理 計(jì)算土中應(yīng)力的目的是為了研究土體受力后的變計(jì)算土中應(yīng)力的目的是為了研究土體受力后的變形和強(qiáng)度問題，但是土的體積變化和強(qiáng)度大小并不是直形和強(qiáng)度問題，但是土的體積變化和強(qiáng)度大小并不是直接決定于土體所受的全部應(yīng)力（即總應(yīng)力），這是由于接決定于土體所受的全部應(yīng)力（即總應(yīng)力），這是由于

10、土是一種由三相物質(zhì)構(gòu)成的碎散材料，受力后土是一種由三相物質(zhì)構(gòu)成的碎散材料，受力后存在著：存在著：（1）外力如何由三種成分來分擔(dān)；）外力如何由三種成分來分擔(dān)；（2）它們是如何傳遞和相互轉(zhuǎn)化的；）它們是如何傳遞和相互轉(zhuǎn)化的；（3）它們和材料的變形和強(qiáng)度有什么關(guān)系等問題；）它們和材料的變形和強(qiáng)度有什么關(guān)系等問題； 關(guān)于這個(gè)問題，美籍奧地利土力學(xué)家太沙基早在關(guān)于這個(gè)問題，美籍奧地利土力學(xué)家太沙基早在1923 年發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行了研究，提出了土力學(xué)中最重要的年發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行了研究，提出了土力學(xué)中最重要的有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理和和固結(jié)理論固結(jié)理論，也是使土力學(xué)成為一門獨(dú)，也是使土力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志。立

11、學(xué)科的重要標(biāo)志。一、有效應(yīng)力原理的基本概念一、有效應(yīng)力原理的基本概念（一）飽和土中的兩種應(yīng)力形態(tài)（一）飽和土中的兩種應(yīng)力形態(tài) 飽和土是由固體顆粒構(gòu)成的骨架和充滿其間的水飽和土是由固體顆粒構(gòu)成的骨架和充滿其間的水組成的兩相體，當(dāng)外力作用于土體后，該力一部分有組成的兩相體，當(dāng)外力作用于土體后，該力一部分有土骨架承擔(dān)，并通過顆粒之間的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳土骨架承擔(dān)，并通過顆粒之間的接觸面進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，稱之為遞，稱之為粒間應(yīng)力粒間應(yīng)力； 另一部分則由孔隙中的水來承擔(dān)，水不能承擔(dān)剪應(yīng)另一部分則由孔隙中的水來承擔(dān)，水不能承擔(dān)剪應(yīng)力，但能承受法向應(yīng)力，并且可以通過連通的孔隙水力，但能承受法向應(yīng)力，并且可以通

12、過連通的孔隙水傳遞，這部分水壓力稱為傳遞，這部分水壓力稱為孔隙水壓力。孔隙水壓力。 有效應(yīng)力原理就是研究飽和土中這兩種應(yīng)力的不有效應(yīng)力原理就是研究飽和土中這兩種應(yīng)力的不同性質(zhì)和它們與總應(yīng)力的關(guān)系。同性質(zhì)和它們與總應(yīng)力的關(guān)系。wsvAuPAAAuAPwsvu（二）有效應(yīng)力原理要點(diǎn)（二）有效應(yīng)力原理要點(diǎn) 有效應(yīng)力原理是太沙基于有效應(yīng)力原理是太沙基于1936年首次用英語論述年首次用英語論述的，其主要內(nèi)容可歸納為兩點(diǎn)：的，其主要內(nèi)容可歸納為兩點(diǎn)：（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為有效）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，其間關(guān)系總是滿足：應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，

13、其間關(guān)系總是滿足： u（2 2）土的變形（壓縮）與強(qiáng)度的變化都只取決于有效）土的變形（壓縮）與強(qiáng)度的變化都只取決于有效應(yīng)力的變化。應(yīng)力的變化。概念：概念：有效應(yīng)力：有效應(yīng)力：通過土粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力（只有通過土粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力（只有有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生固結(jié)和強(qiáng)度）。有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生固結(jié)和強(qiáng)度）。有效應(yīng)力原理：有效應(yīng)力原理：當(dāng)總應(yīng)力保持不變時(shí)，孔隙水應(yīng)力當(dāng)總應(yīng)力保持不變時(shí)，孔隙水應(yīng)力與有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化，即孔隙水應(yīng)力減?。ㄔ龃螅┡c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?。?。等于有效應(yīng)力的等量增加（減?。?。 既然土的壓縮和強(qiáng)度只隨有效應(yīng)力而變化

14、，為了既然土的壓縮和強(qiáng)度只隨有效應(yīng)力而變化，為了研究土工建筑物或土基的變形與安全度就必須要確定研究土工建筑物或土基的變形與安全度就必須要確定土體中的有效應(yīng)力。而有效應(yīng)力是作用在土骨架的顆土體中的有效應(yīng)力。而有效應(yīng)力是作用在土骨架的顆粒之間的粒間力，很難直接測定，通常都是在求得總粒之間的粒間力，很難直接測定，通常都是在求得總應(yīng)力和孔隙水壓力之后，利用公式：應(yīng)力和孔隙水壓力之后，利用公式：u 總應(yīng)力可以計(jì)算得出，孔隙水壓力可以實(shí)測也可總應(yīng)力可以計(jì)算得出，孔隙水壓力可以實(shí)測也可以可以通過計(jì)算得出。以可以通過計(jì)算得出。自重應(yīng)力情況下自重應(yīng)力情況下靜水位條件下的有效應(yīng)力靜水位條件下的有效應(yīng)力穩(wěn)定滲流條件

15、下的有效應(yīng)力穩(wěn)定滲流條件下的有效應(yīng)力2.5 滲透力和滲透變形滲透力和滲透變形一、滲透力和臨界水力坡降一、滲透力和臨界水力坡降 （一）滲透力（一）滲透力 概念：單位土體內(nèi)土顆粒所受到的滲流作用力為滲概念：單位土體內(nèi)土顆粒所受到的滲流作用力為滲透力。滲透力是一種體積力。透力。滲透力是一種體積力。計(jì)算原理：計(jì)算原理：沿流線方向取一截面積為沿流線方向取一截面積為1，長為，長為L的土樣。的土樣。(2) 討論作用在土樣上的力。討論作用在土樣上的力。結(jié)論：結(jié)論： 滲透力是水流對單位體積土體顆粒的作用力；滲透力是水流對單位體積土體顆粒的作用力； 是一種體積力；是一種體積力； 滲透力的大小與水力坡降成正比，方向

16、與滲流滲透力的大小與水力坡降成正比，方向與滲流方向一致。方向一致。（二）臨界水力坡降：（二）臨界水力坡降： 滲透力滲透力j與有效重度大小相等，方向相反與有效重度大小相等，方向相反時(shí)，時(shí)，土顆粒之間的壓力為零，即：土顆粒之間的壓力為零，即：j= wi= = satw （a）向下滲流）向下滲流 （b）向上滲流）向上滲流滲流方向?qū)ν令w粒作用力的影響滲流方向?qū)ν令w粒作用力的影響于是可定義于是可定義crwi“工程中常用工程中常用i icrcr來評(píng)價(jià)土體是否發(fā)生滲透破壞來評(píng)價(jià)土體是否發(fā)生滲透破壞”。當(dāng)當(dāng) j= w i = 時(shí)時(shí)， 土顆粒之間的壓力為零土顆粒之間的壓力為零。土的浮容重為：土的浮容重為：eGw

17、s111）（crwieGiscr11由此可知，流土的臨界水力坡由此可知，流土的臨界水力坡降取決于土的物理性質(zhì)。降取決于土的物理性質(zhì)。二、土的滲透變形和防治措施二、土的滲透變形和防治措施（一）土的滲透變形（或滲透破壞）（一）土的滲透變形（或滲透破壞） 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破破壞，如土層剝落，地面隆起，細(xì)顆粒被水帶出及出現(xiàn)壞，如土層剝落，地面隆起，細(xì)顆粒被水帶出及出現(xiàn)集中的滲流通道等。集中的滲流通道等。 土的滲透變形類型主要有管涌、流土、接觸流土土的滲透變形類型主要有管涌、流土、接觸流土和接觸沖刷等，但就單一土層來說，滲透變形主要是和接觸沖刷等，但就單一土層來說，滲透變形主要是流土流土和和管涌管涌兩種基本形式。兩種基本形式。流土現(xiàn)象: 在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的