土的滲透性與滲透問題分析

1、第二章第二章 土的滲透性與滲透問題土的滲透性與滲透問題n2.1達西定律n2.2滲透系數(shù)及其確定方法n2.3滲透力與滲透變形n2.4滲流工程問題與處理措施土的滲透問題概述土的滲透問題概述浸潤線浸潤線流線流線等勢線等勢線下游下游上游上游土壩蓄水后水透土壩蓄水后水透過壩身流向下游過壩身流向下游H隧道開挖時，地下隧道開挖時，地下水向隧道內流動水向隧道內流動 在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透滲透 2.1 達西定律n一、一、達西定律達西定律1856年法國學者年法國學者DarcyDarcy對對砂土砂土的滲的滲透性進行研究透性進行研究結論：結論：水在土中的滲

2、透速度與試水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比樣的水力梯度成正比滲透試驗滲透試驗播放播放v=ki達西定律達西定律水力梯度，即沿滲流方向水力梯度，即沿滲流方向單單位距離的水頭損失位距離的水頭損失 n二、達西定律適用范圍與起始水力坡降二、達西定律適用范圍與起始水力坡降)(biikv討論：討論：砂土的滲透速度與水砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關系力梯度呈線性關系 密實的粘土，需要克密實的粘土，需要克服結合水的粘滯阻力服結合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透后才能發(fā)生滲透; ;同同時滲透系數(shù)與水力坡時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達西降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關系定律而呈非線性關系 ib起始水起始水

3、力坡降力坡降虛直線簡化虛直線簡化達西定律適用于層達西定律適用于層流，不適用于紊流流，不適用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密實粘土密實粘土kiv 達西定律達西定律2.2 滲透系數(shù)及其確定方法n一、滲透試驗（室內）一、滲透試驗（室內）AtLhkkiAtqtV時間時間t內流出的水量內流出的水量hAtVLk 1.常水頭試驗常水頭試驗整個試驗整個試驗過程中水頭保持不變過程中水頭保持不變 適用于透水性大（適用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。 2.變水頭試驗變水頭試驗整個試驗過程水頭隨時間變化整個試驗過程水頭隨時間變化 截面面積截面面積a任一時刻任一時刻t的水頭差為的

4、水頭差為h，經經時段時段dt后，細玻璃管中水位后，細玻璃管中水位降落降落dh，在時段在時段dt內流經試內流經試樣的水量樣的水量 dV=adh 在時段在時段dt內流經試樣的水量內流經試樣的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管內減少水量流經試樣水量管內減少水量流經試樣水量 adh=kAh/Ldt 分離變量分離變量 積分積分 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk適用于透水性差，滲透系數(shù)適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土小的粘性土 n二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配土粒大小與級配 細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量細粒

5、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，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。 2.土的密實度土的密實度 3.水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù) 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。 動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體含量 土中封閉氣體阻塞滲流

6、通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。含量愈多，土的滲透性愈小。2020TTkkT、20分別為分別為T和和20時水時水的動力粘滯系數(shù)，可查表的動力粘滯系數(shù)，可查表 n三、成層土的滲透系數(shù)三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)水平滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量通過整個土層的總滲流量qx應為各土層滲流量之總和應為各土層滲流量之總和 niixnxxxxqqqqq121iHkqxx達西定律達西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整個土層與層面平整個土層與層面平行的等效滲

7、透系數(shù)行的等效滲透系數(shù) 平均滲透系數(shù)平均滲透系數(shù)niiixHkHk112.垂直滲透系數(shù)垂直滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層整個土層的滲流量等于通過的滲流量等于通過各土層各土層的滲流量的滲流量 nyyyyqqqq21垂直滲垂直滲透系數(shù)透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應的水力坡降為各土層的相應的水力坡降為i1、i2、in，總的水力坡降為總的水力坡降為i AikAikAikiAknny2211總水頭損失等于各層總水頭損失等于各層水頭損失之和水頭損失之和 nniHiHiHHi2211代入代入nnnnyikikikHiHiHiHk221122

8、11)(1整個土層與層面垂直整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)的等效滲透系數(shù) nnykHkHkHHk2211四、例題分析四、例題分析n【例】 設做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積設做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為為30cm2，厚度為厚度為4cm，滲透儀細玻璃管的內徑為滲透儀細玻璃管的內徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為試驗開始時的水位差為160cm，經時段經時段15分分鐘后，觀察得水位差為鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為試驗時的水溫為30，試求試樣的滲透系數(shù)試求試樣的滲透系數(shù) 【解答】解答】已知試樣截面積已知試樣截面積A= =30cm，滲徑長度滲徑長度L= =4cm，細玻璃管的

9、內截面積細玻璃管的內截面積 222cm1256. 044 . 014. 34dah1= =160cm，h2= =52cm，t= =900s 試樣在試樣在30時的滲透系數(shù)時的滲透系數(shù) cm/s1009. 252160lg9003041256. 03 . 2lg3 . 25211230hhttAaLk2.3 滲透力與滲透變形n一、滲透力和臨界水力坡降一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力滲透力滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個測壓沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差管，測壓管水面高差h水流流經這段土體，受水流流經這段土體，受到土顆粒的

10、阻力，阻力到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為引起的水頭損失為h土粒對水流土粒對水流的阻力應為的阻力應為 hAFw土樣土樣面積面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力總滲流力J和土粒對水流的阻和土粒對水流的阻力力F大小相等，方向相反大小相等，方向相反 hAFJw滲流作用于單位土體的力滲流作用于單位土體的力wwiALhAALJj說明：說明：滲透力滲透力j是滲流對是滲流對單位土體單位土體的作用力，是一種體積力，其大的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3 滲透力的存在，將使土體內部

11、受力發(fā)生變化，這種變化對滲透力的存在，將使土體內部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與滲透力方向與重力一致，促重力一致，促使土體壓密、使土體壓密、強度提高，有強度提高，有利于土體穩(wěn)定利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使?jié)B流方向近乎水平，使土粒產生向下游移動的土粒產生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相滲流力與重力方向相反，當滲透力大于土反，當滲透力大于土體的有效重度，土粒體的有效重度，土粒將被水流沖出將被水流沖出2.臨界水力坡降臨界水力坡降使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降 GJ當土顆粒的重力

12、與滲透力相等時，土顆粒不受任何當土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水力坡降臨界水力坡降JG crwiwcriwwsatscreGi11或或 在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(23)，作為允許水力坡降，作為允許水力坡降i。設計時，為保證建筑物的安設計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降i內內scrFiiin二、滲透變形二、滲透變形 滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局

13、部土體產生移動，滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動，導致土體變形導致土體變形滲透變形問題（流土，管涌）滲透變形問題（流土，管涌） 1.流土流土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象粒群同時發(fā)生移動的現(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)生于土體內部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、粉砂、挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、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

14、粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象 土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細管狀滲流通道，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)生在土體內部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞 3.流土與管涌的判別流土與管涌的判別滲透變形的形

15、式與土的類別、顆粒級配滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關以及水力條件等因素有關 粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結較緊，一般不出現(xiàn)管涌而粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(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 對對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.當孔隙中細粒含量較少（小于當孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)

16、生管涌要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含量約為量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象會發(fā)生流土現(xiàn)象三、例題分析三、例題分析n【例】某土壩地基土的比重某土壩地基土的比重Gs= =2.68，孔隙比孔隙比e= =0.82，下下游滲流出口處經計算水力坡降游滲流出口處經計算水力坡降i為為0.2，若取安全系數(shù)，若取安全系數(shù)Fs為為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞 【解答】解答】臨界

17、水力坡降臨界水力坡降 由于實際水力坡降由于實際水力坡降i i，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞流土破壞 92.082.01168.211eGiscr允許水力坡降允許水力坡降 37.05.292.0scrFii2.4 滲流工程問題與處理措施 n一、滲流工程問題一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不僅對水位以下的土體產生靜水壓力和浮托力，并對地下水不僅對水位以下的土體產生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎產生浮托力建筑物基礎產生浮托力 2.地下水的潛蝕作用地下水的潛蝕作用 在施工降水等活動過程中產生水頭差，在滲透力作用下，土在施工降水等活動過程

18、中產生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到沖刷，將細顆粒沖走，破壞土的結構。顆粒受到沖刷，將細顆粒沖走，破壞土的結構。通常產生于粉細通常產生于粉細砂、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，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，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細砂和粉土地層中產生，在地下水位以下的基坑開挖、通常易在粉細砂和粉土地層中產生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)埋設地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn) 4

19、.基坑突涌基坑突涌 當基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚當基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當隔水層較薄經受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖度，當隔水層較薄經受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，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hHwn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、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止

20、滲透變形透變形 垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的: :延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截斷透水層，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 設置水平鋪蓋設置水平鋪蓋 上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑 粘土鋪蓋粘土鋪蓋設置反濾層設置反濾層 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置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產生滲透變形的作用產生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也反濾層