第2章土滲透性

第2章土的滲透性本章教學(xué)要求：

1、掌握達(dá)西定律的物理意義和滲透系數(shù)的確定方法

2、滲透力和臨界水力坡降的概念，掌握確定方法。

3、了解管涌、流土的物理現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因4、了解滲透變形的防治2.1達(dá)西定律及適用范圍

2.1.1滲流的概念土中的重力水及外部水在重力作用下可以穿過土的孔隙發(fā)生運(yùn)動。當(dāng)水閘和土壩擋水后，高水位的水就會通過壩體和壩基向低水位處滲流。

水在壓力坡降作用下穿過土中連通孔隙發(fā)生緩慢流動的現(xiàn)象稱為水的滲透。土體被水透過的難易程度稱為土的滲透性。

在水利工程中，水的滲透會引起兩方面的問題：一是滲漏問題；二是滲透穩(wěn)定性問題。在建筑工程中，深基坑開挖中的邊坡及地基的穩(wěn)定性、降水設(shè)計和外力作用下飽和土的固結(jié)等都和土的滲透問題有關(guān)。

2.1.2土的滲透性及達(dá)西定律地下水按流線形態(tài)劃分的流動狀態(tài)有層流和紊流兩種狀態(tài)。若水流流動過程中每一水質(zhì)點都沿一固定的途徑流動，其流線互不相交，稱層流。水流流動時，水質(zhì)點的流動途徑是不規(guī)則的，其流線在流動過程中相交再相交，并在流動過程中產(chǎn)生漩渦，則稱其為紊流。一般認(rèn)為，絕大多數(shù)場合下土中水的流動呈現(xiàn)層流狀態(tài)。1、滲流模型

一是不考慮路徑的迂回曲折，只考慮它的主要流向；

二是不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿，稱為滲流模型，

認(rèn)為:

①在同一過水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真實滲流的流量；

②在任一界面上，滲流模型的壓力與真實滲流的壓力相等；

③在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實滲流所受到的阻力相等。

圖2-1水在土孔隙中的運(yùn)動軌跡

圖2-2

理想化的滲流模型2、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者達(dá)西(H.Darcy)根據(jù)均質(zhì)砂實驗提出，在層流狀態(tài)下，土中水的滲透速度與水位差成正比，與滲流長度成反比。引入比例系數(shù)則有

k為土的滲透系數(shù)（cm／s）；若令，并定義i為水力坡降（水力梯度）。，則達(dá)西定律可表示為：

若以滲透流量表示時則有

土的滲透速度是指在一定的水力坡降下，單位時間內(nèi)透過垂直于滲流方向的單位橫截面面積土體的滲流量。

圖2-3達(dá)西滲透試驗2.1.2達(dá)西定律適用范圍

達(dá)西定律是適用于層流。

對于砂性較重及密實度較低的粘土，其滲透規(guī)律與達(dá)西定律相符。

對于密實的黏土，土顆粒表面存在結(jié)合水膜，只有當(dāng)水頭梯度

大于

0（

稱為起始水頭梯度），這時黏土的滲流規(guī)律才符合達(dá)西定律，即

滲透速度總是小于地下水的實際流速。圖2-4粘性土的起始水頭梯度2.1.3滲透系數(shù)測定

1.滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是指水頭梯度為l時的滲透速度，滲透系數(shù)是用來表示巖土滲透性大小的指標(biāo)。滲透系數(shù)除用于計算滲透流量、滲透變形外，還可作為選擇填土材料的依據(jù)。

滲透系數(shù)大小與土壤及水的性質(zhì)有關(guān)，一般通過試驗來測定。在無實測資料時，可參考經(jīng)驗值選用。表2-1各種土滲透系數(shù)的參考值

土的名稱滲透系數(shù)（cm/s）（m/d）卵

石礫

石粗

砂中

砂細(xì)

砂粉

砂粉

土粉質(zhì)黏土黏

土1×10-1～6×10-16×10-1～1×10-12×10-1～6×10-16×10-1～2×10-21×10-1～6×10-36×10-1～1×10-31×10-1～6×10-46×10-1～1×10-4<6×10-6100～50050～10020～505～201.0～50.5～1.00.1～0.50.005～0.1<0.0052.滲透系數(shù)的測定

測定土的滲透系數(shù)的方法有：常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗，現(xiàn)場抽水試驗等方法。

（1）常水頭滲透試驗法。

常水頭試驗適用于透水性較大的粗顆粒土.

為圓柱狀試樣的橫截面面積，L為試樣的厚度（即滲流長度），

為試驗時的水頭差。試驗過程中，水頭始終保持常數(shù)，并測定某時段

內(nèi)流經(jīng)試樣水的體積

，按達(dá)西定律即可求出滲透系數(shù)。

圖2-5常水頭滲透試驗70型滲透儀（2）變水頭滲透試驗法。變水頭滲透試驗適用于滲透系數(shù)較小的粉、細(xì)砂土。

在試驗中測壓管的水位不斷下降，測定時間

和

時測壓管的水位

后可求出k值。

圖2-6

變水頭滲透試驗（3）現(xiàn)場抽水試驗。采用室內(nèi)試驗測試滲透系數(shù)，往往由于采取的土樣很難保持其天然狀態(tài)，或試樣難以代表現(xiàn)場復(fù)雜的地基狀態(tài)，有時得不到可以信賴的結(jié)果，在這種情況下，有必要通過現(xiàn)場抽水試驗測定滲透系數(shù)。

圖2-7

潛水井的抽水試驗例2-1如圖2-8所示，在現(xiàn)場進(jìn)行抽水試驗測定砂土的滲透系數(shù)。抽水井穿過10m厚砂土層進(jìn)入不透水層，在距井管中心15m及60m處設(shè)置觀測孔。已知抽水前靜止地下水位在地面下2.35m處，抽水后待滲流穩(wěn)定時，從抽水并測得流量

＝4.73×102m3／d，同時從兩個觀測井得到水位分別下降了1.93m及0.52m，求砂土層的滲透系數(shù)。

解：兩個觀測井的水位分別為：

r1＝15m處，

h1=10-2.35-1.93=5.72（m）；

r1＝60m處，h2=10-2.35-0.52=7.13（m）。

由式（2-6）求得滲透系數(shù)：

==11.5（m/d）

2.1.4影響土的滲透性因素

1.土粒度級配和礦物成分

土的顆粒大小、形狀及級配，影響土中孔隙大小及形狀，因而影響土的滲透性。土粒越粗、越渾圓、越均勻時，土的滲透性就越大。

2.孔隙比

孔隙比

越小，土的密實度越大，土的滲透性隨之減小。

3.土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

天然土層通常是各向異性的，土壤在不同方向滲透性差別很大。層狀粘土常夾有薄的粉砂層，它在水平方向的滲透系數(shù)要比豎直方向大得多。4.土中水的溫度

水在土中滲流的速度與水的密度及動力黏滯系數(shù)有關(guān)，而這兩個數(shù)值又與水的溫度有關(guān)。一般情況下，水的密度隨溫度的變化很小，可忽略不計，但水的動力黏滯系數(shù)隨溫度變化明顯。

5.土中封閉氣體的含量

當(dāng)土中封閉氣體的含量增加時，其滲透系數(shù)隨之減小。

2.2滲透力與滲透變形

2.2.1滲透力

流動的水作用在單位體積土的骨架上的力稱為滲透力。滲透力是流動的水對土體施加的體積力，它與單位體積內(nèi)滲透水流受到的骨架的阻力

大小向等，方向相反。

在圖2-3中，作用于土柱中水體上的力有：

①截面1上的總水壓力

P1=ωh1，其方向與滲流方向一致；

②截面2上的總水壓力P2=ωh2，其方向與滲流方向相反；

③土柱中的土顆粒對滲流的總阻力

，其大小應(yīng)和總滲透力

J相等，即

F=J=jLA，方向與滲流方向相反。

根據(jù)滲流方向力的平衡條件得：

J=P1－P2

則滲透力

j=i

滲透力是一種體積力，單位為KN/m3,其大小與水力坡度成正比，方向與滲流方向一致。

2.2.2滲透變形破壞形式

水流在發(fā)生滲透時，由于滲透力的方向與滲流方向一致，因此它對土體穩(wěn)定性有著很大的影響。

（a）向下滲流時；

（b）向上滲流時圖2-9不同滲流方向?qū)ν恋挠绊懺跐B流的作用下，合力等于零時，土顆粒將處于臨界狀態(tài)，懸浮在土體表面，當(dāng)滲透力繼續(xù)增加，則土體失去穩(wěn)定，一定范圍的土體同時浮起被帶走的現(xiàn)象稱為流砂（流土）現(xiàn)象。臨界狀態(tài)時的水頭梯度稱為臨界水頭梯度

，

===

在滲流作用下，局部土體表面隆起、頂穿或粗細(xì)顆粒同時浮動而流失的現(xiàn)象。

流土往往發(fā)生在滲流的逸出處，可以用滲流逸出處的水力坡降i與其臨界水力坡降

icr比較，判別流土發(fā)生的可能性。

若

i＜

icr

，則土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；

若

i＝

icr，則土體處于臨界狀態(tài)；

若

i＞icr

，則土體發(fā)生流土。

在設(shè)計中，為確保建筑物的安全，所以常將臨界水力坡降除以安全系數(shù)作為允許水力坡降

，設(shè)計中將逸出處的水力坡降

控制在允許水力坡降

之內(nèi)，即要求：

i≤[i]＝icr/

k

k=2.0-2.5

流土發(fā)生時，局部土體隆起、浮動，顆粒群同時發(fā)生移動而流失。流土一般發(fā)生在無保護(hù)的滲流出口處，而不發(fā)生在土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時出現(xiàn)的所謂“流砂”現(xiàn)象，就是流土的常見形式。2、管涌

管涌是指在土體中的細(xì)顆粒在滲流作用下從骨架孔隙通道流失的現(xiàn)象。

管涌可以發(fā)生在土體的所有部位。首先細(xì)顆粒在粗顆粒的孔隙中移動，隨著土中孔隙的逐漸擴(kuò)大，滲流速度不斷增大，較粗的顆粒也被水流逐漸沖走，最后導(dǎo)致土體內(nèi)部形成貫通的滲流通道，釀成潰堤的嚴(yán)重后果。

發(fā)生管涌時的臨界水頭梯度與土的顆粒大小及其級配情況有關(guān)，但至今管涌的臨界水力坡降尚無成熟的計算公式可循。對于重要的工程，須通過滲透破壞試驗確定，圖2-13

關(guān)系曲線無黏性土發(fā)生管涌的臨界水力坡降，可按經(jīng)驗公式計算：

式中：

d3——小于該粒徑顆粒含量為3%所對應(yīng)粒徑（cm）；

n——孔隙率；

k——滲透系數(shù)（cm/s）。

研究表明，不均勻系數(shù)

CU≤10的勻粒砂土，只可能出現(xiàn)流土破壞形式；

CU＞10的砂礫土，既可能發(fā)生管涌，也可能產(chǎn)生流土，主要取決于土的級配情況與細(xì)料含量。

定性判定1.滲透變形產(chǎn)生的原因

一：上、下游水位差形成的水力坡降；

二：土的顆粒組成特性。

主要治理措施：降低水力坡降。

2.基坑開挖防滲措施

開挖基坑時，當(dāng)滲透水力坡降大于臨界水力坡降icr時，坑底泥砂翻涌，出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，不僅