土力學(xué)完整課件土的滲透性

土力學(xué)完整課件土的滲透性第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日水在水頭差作用下滲透：水透過土體孔隙的現(xiàn)象滲透性：土允許水透過的性能稱為土的滲透性

造成水量損失，影響工程效益引起滲透破壞，危及堤壩、建筑物安全本章將主要討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律，以及滲透力、滲透變形等問題。§2-1概述第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤(rùn)線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流第6次課第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日Teton壩損失：直接8000萬美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災(zāi)2.5萬人，60萬畝土地，32公里鐵路原因：管涌土壩位于美國(guó)Idaho州Teton河上，防洪、灌溉、發(fā)電、旅游綜合利用，裝機(jī)16MW，最大壩高126.5m，壩頂長(zhǎng)945m。建于1972-75年,75年11月開始蓄水，76年春洪水期間水位迅速上升，達(dá)1.2m/d。6月5日上午11:55發(fā)生潰壩。下圖是現(xiàn)在的景象第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日Teton壩1976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日Teton壩11：00左右洞口不斷擴(kuò)大并向壩頂靠近，泥水流量增加第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日Teton壩11:30洞口繼續(xù)向上擴(kuò)大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設(shè)施。第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日11：50左右洞口擴(kuò)大加速，泥水對(duì)壩基的沖蝕更加劇烈。Teton壩第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日11:57壩坡坍塌，泥水狂瀉而下Teton壩第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日12：00過后坍塌口加寬Teton壩第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日洪水掃過下游谷底，附近所有設(shè)施被徹底摧毀Teton壩第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日失事現(xiàn)場(chǎng)目前的狀況Teton壩第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日§2-2達(dá)西定律1856年法國(guó)學(xué)者達(dá)西對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：（水在土中的）滲透速度與水力梯度成正比。v=ki達(dá)西定律水頭梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

一、達(dá)西定律的內(nèi)容水頭梯度又稱水力梯度、水力坡降。第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日二、達(dá)西定律適用范圍達(dá)西定律討論：砂土中的滲透速度與水頭梯度呈線性關(guān)系

密實(shí)的黏土，需要克服結(jié)合水膜的黏滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水頭梯度呈非線性關(guān)系。

ib起始水力坡降虛直線簡(jiǎn)化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實(shí)黏土第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日水頭：?jiǎn)挝恢亓康乃哂械哪芰?。水力梯度（坡降）總水頭線總水頭＝勢(shì)水頭＋壓力水頭＋動(dòng)水頭第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日三、滲透系數(shù)及其確定方法滲透試驗(yàn)（室內(nèi)）時(shí)間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)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。

Δh第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.變水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化

截面面積a任一時(shí)刻t的水頭差為h，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)管內(nèi)減少的水量

dV=－adh

在時(shí)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)小的黏性土

第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日四、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級(jí)配

細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會(huì)大大減小。2.土的密實(shí)度

3.水的溫度

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。水溫愈高，水的動(dòng)力黏滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。常以水溫為10°C時(shí)k10作為標(biāo)準(zhǔn)值。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、10分別為T℃和10℃時(shí)水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，可查表第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日五、成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)

通過整個(gè)土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和

達(dá)西定律整個(gè)土層與層面平行的等效滲透系數(shù)

平均滲透系數(shù)即為厚度加權(quán)平均值在z軸方向取1延米土體來分析第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.

豎直滲透系數(shù)

根據(jù)滲透水流連續(xù)條件，通過整個(gè)土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

豎直滲透系數(shù)第j層土的水力坡降為ij,總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

整個(gè)土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)

(2)(3)（2）式代入（3）式整理后，得(1)第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日例題分析【例】

設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的黏土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)

【解】已知試樣截面積A=30cm2，滲徑長(zhǎng)度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時(shí)的滲透系數(shù)

第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日§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GD——滲透水流作用在單位體積土體中土顆粒上的力。其方向與滲流方向一致，單位：kN/m3。又稱動(dòng)水力或滲流力h2h1h21L水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力T，T為滲透力GD的反作用力.水在土體中流動(dòng)時(shí)要受到土粒的阻力作用，反過來土粒也必然作用著一個(gè)反作用力，這就是滲透力。第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日以長(zhǎng)度L范圍內(nèi)的水體作為脫離體P1P2TAL由脫離體靜力平衡條件有特別注意：GD是體積力，作用在土粒骨架上，方向與滲流方向一致。第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對(duì)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(qiáng)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(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)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，土粒將被水流沖出第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡降

當(dāng)滲透水流自下而上時(shí)，如滲透力與土顆粒的重力相等，則土顆粒處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)的水力坡降即為臨界水力坡降。

在工程計(jì)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(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許坡降[i]內(nèi)GD或第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日二、滲透變形

滲透水流將土體中的細(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—————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(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逸出口，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、淤泥等較易發(fā)生流土破壞第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.管涌——在滲流作用下，土中的細(xì)小顆粒穿過較大顆粒間的孔隙發(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，形成能穿越土體的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或堤壩，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。它的發(fā)生一般有個(gè)時(shí)間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞。第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日3.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級(jí)配以及水力條件等因素有關(guān)。

黏性土由于粒間具有黏聚力，黏結(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)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(duì)Cu>10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30%）時(shí)，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(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為30%－35%），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。第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日三、例題分析【例】某土壩地基土的土粒相對(duì)密度Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計(jì)算得水力坡降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(huì)發(fā)生流土破壞

。【解】臨界水力坡降由于實(shí)際水力坡降i=0.2<[i]，故土壩地基出口處土體不會(huì)發(fā)生流土破壞。允許水力坡降第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日§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(duì)水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力

2.地下水的潛蝕作用

在施工降水等過程中產(chǎn)生水頭差，在滲流作用下發(fā)生管涌，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)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(dòng)，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(xì)砂地層中產(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)。第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日4.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)象稱為基坑突涌。第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日二、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(zhǎng)滲徑，下游則保證滲流通暢，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形。①垂直截滲

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。

第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日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(zhǎng)了水流滲透路徑。

黏土鋪蓋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(hù)土體、防止細(xì)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黏性土組成，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。

第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日④排水減壓黏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(shí)，設(shè)置減壓井或深挖排水槽

第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.基坑開挖防滲措施①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(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位多級(jí)井點(diǎn)降水要求地下水位降得較深，采用井點(diǎn)降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點(diǎn)，從井中抽水降低水位。第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日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(shí)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(jī)械在水下挖掘，避免因排水而造成可能導(dǎo)致流砂的水頭差。為了增加砂的穩(wěn)定性，也可向基坑中注水，并同時(shí)進(jìn)行挖掘。第三十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日§2-5流網(wǎng)及其應(yīng)用（自學(xué)）一、平面滲流基本微分方程

①與kx,