土的滲透性與滲透問題課件

第二章

土的滲透性與滲透問題§2.1達西定律§2.2滲透系數(shù)及其確定方法§2.3滲透力與滲透變形§2.4滲流工程問題與處理措施主要內(nèi)容第二章土的滲透性與滲透問題§2.1達西定律主要內(nèi)容1土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身2§2.1達西定律一、達西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比滲透試驗播放v=ki達西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

§2.1達西定律一、達西定律1856年法國學(xué)者3二、達西定律適用范圍與起始水力坡降達西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線簡化達西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實粘土二、達西定律適用范圍與起始水力坡降達西定律討論：砂土的滲透速4§2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、滲透試驗（室內(nèi)）時間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

§2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、滲透試驗（室內(nèi)）時間52.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化

截面面積a任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=－adh

在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土

2.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化截面面6二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.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愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。2.土的密實度

3.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。T、20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù)，可查表二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配細粒含量愈多，7三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和

達西定律整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)

平均滲透系數(shù)三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)H1H2H3k1k2k82.垂直滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

垂直滲透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)

2.垂直滲透系數(shù)H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理9四、例題分析【例】

設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為160cm，經(jīng)時段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)

【解答】已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時的滲透系數(shù)

四、例題分析【例】設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為310§2.3滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力——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管，測壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應(yīng)為

土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反§2.3滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡11滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，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kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)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abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力122.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降

GJ當(dāng)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臨界水力坡降或

在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)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[i]內(nèi)2.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降GJ13二、滲透變形滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

1.流土——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(nèi)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、淤泥等較易發(fā)生流土破壞二、滲透變形滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土142.管涌——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

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)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞2.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的153.流土與管涌的判別——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(guān)

粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)Cu>10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

對Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，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（此時細料含量約為30%－35%），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3.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以16三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs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

【解答】臨界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)生流土破壞允許水力坡降三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e17§2.4滲流工程問題與處理措施

一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力

2.地下水的潛蝕作用在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細砂、粉土地層中

3.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(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)

§2.4滲流工程問題與處理措施一、滲流工程問題1184.基坑突涌

當(dāng)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(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌4.基坑突涌當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底19二、防滲處理措施1.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“上堵下疏”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透變形

①垂直截滲

主要目的: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、板樁等均屬于垂直截滲

二、防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物的20②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑

粘土鋪蓋③設(shè)置反濾層

砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)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(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層

②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水21④排水減壓

粘性土含水層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，設(shè)置減壓井或深挖排水槽

④排水減壓粘性土含水層減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑222.基坑開挖防滲措施①工程降水

采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水要求地下水位降得較深，采用井點降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點，從井中抽水降低水位2.基坑開挖防滲措施①工程降水采用明溝排水和井點降水的方法23②設(shè)置板樁

沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了地下水的滲流路徑，減小水力坡降鋼板樁③水下挖掘

在基坑或沉井中用機械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水頭差。為了增加砂的穩(wěn)定性，也可向基坑中注水，并同時進行挖掘

②設(shè)置板樁沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了24第二章

土的滲透性與滲透問題§2.1達西定律§2.2滲透系數(shù)及其確定方法§2.3滲透力與滲透變形§2.4滲流工程問題與處理措施主要內(nèi)容第二章土的滲透性與滲透問題§2.1達西定律主要內(nèi)容25土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身26§2.1達西定律一、達西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比滲透試驗播放v=ki達西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

§2.1達西定律一、達西定律1856年法國學(xué)者27二、達西定律適用范圍與起始水力坡降達西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線簡化達西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實粘土二、達西定律適用范圍與起始水力坡降達西定律討論：砂土的滲透速28§2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、滲透試驗（室內(nèi)）時間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

§2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、滲透試驗（室內(nèi)）時間292.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化

截面面積a任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=－adh

在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土

2.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化截面面30二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.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愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。2.土的密實度

3.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。T、20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù)，可查表二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配細粒含量愈多，31三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和

達西定律整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)

平均滲透系數(shù)三、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)H1H2H3k1k2k322.垂直滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

垂直滲透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)

2.垂直滲透系數(shù)H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理33四、例題分析【例】

設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為160cm，經(jīng)時段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)

【解答】已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時的滲透系數(shù)

四、例題分析【例】設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為334§2.3滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力——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管，測壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應(yīng)為

土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反§2.3滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡35滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，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kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)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abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力362.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降

GJ當(dāng)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臨界水力坡降或

在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)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[i]內(nèi)2.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降GJ37二、滲透變形滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

1.流土——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(nèi)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、淤泥等較易發(fā)生流土破壞二、滲透變形滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土382.管涌——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

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)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞2.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的393.流土與管涌的判別——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(guān)

粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)Cu>10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

對Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，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（此時細料含量約為30%－35%），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3.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以40三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs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

【解答】臨界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)生流土破壞允許水力坡降三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e41§2.4滲流工程問題與處理措施

一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力

2.地下水的潛蝕作用在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細砂、粉土地層中

3.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(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)

§2.4滲流工程問題與處理措施一、滲