第三章 土的滲透性

主講：張彥輝專業(yè)：建筑工程土力學(xué)第三章土的滲透性本章主要內(nèi)容

3.1概述

3.2土的滲透性與滲透規(guī)律

3.3滲透力與滲透變形碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差土顆粒土中水滲流土體中的滲流3.1概述內(nèi)因？外因？透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲流問題：1.滲流量？2.滲透力？3.滲透破壞？滲流問題－土石壩壩基壩身滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量？2.滲水壓力？3.滲透破壞？透水層不透水層基坑板樁墻滲流問題－板樁圍護(hù)下的基坑滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q滲流問題－水井滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量？2.地下水影響

范圍？原地下水位滲流時(shí)地下水位滲流問題－渠道、河流滲流3.1概述滲流問題：1.滲透力？2.入滲過程？滲流問題－降雨入滲引起的滑坡3.1概述滲流量揚(yáng)壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置入滲過程擋水結(jié)構(gòu)物集水結(jié)構(gòu)物引水結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強(qiáng)度特性滲流問題－土的滲透特性3.1概述內(nèi)容滲流的驅(qū)動能量反映滲流特點(diǎn)的定律土的滲透性地基的滲透系數(shù)3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素四、層狀地基的等效滲透系數(shù)位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降水流動的驅(qū)動力總水頭計(jì)算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭位置水頭Z：到基準(zhǔn)面的距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢能壓力水頭u/γw：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能測管水頭：測管水面到基準(zhǔn)面的距離，＝位置水頭＋壓力水頭，表示單位重量液體的總勢能在靜止液體中各點(diǎn)的測管水頭相等zA00ABu0pazB基準(zhǔn)面靜水位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降水流動的驅(qū)動力總水頭計(jì)算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢能高處流向位置勢能低處壓力：水所具有的壓力勢能流速：水所具有的動能也可使水流發(fā)生流動水流動的驅(qū)動力3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降水流動的驅(qū)動力總水頭計(jì)算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭位置勢能：mgz壓力勢能：00基準(zhǔn)面質(zhì)量m壓力u流速vz動能：總能量：稱為總水頭，是水流動的驅(qū)動力；＝位置水頭＋壓力水頭＋流速水頭單位重量水流的總能量：總水頭計(jì)算3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動，應(yīng)滿足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程滲流中的水頭與水力坡降3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降水流動的驅(qū)動力總水頭計(jì)算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭ABLhAzA基準(zhǔn)面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）流速水頭v2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流≈0）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍。在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)。滲流的總水頭：也稱測管水頭，是滲流的總驅(qū)動能。滲流中的水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降滲流總是從水頭高處流向水頭低處ABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流總是從水頭高處流向水頭低處位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降水流動的驅(qū)動力總水頭計(jì)算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭

A點(diǎn)總水頭：ABLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線

B點(diǎn)總水頭：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流克服摩阻力造成的能量損失

水力坡降i：單位滲流長度上的水頭損失滲流中的水力坡降3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降靜止液體中，各點(diǎn)的測管水頭（總水頭）相等→△h=0，i=0內(nèi)容滲流的驅(qū)動能量反映滲流特點(diǎn)的定律土的滲透性地基的滲透系數(shù)3.2土的滲透性與滲透規(guī)律一、水頭與水力坡降二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素四、層狀地基的等效滲透系數(shù)LAh1h2QQ透水石1856年達(dá)西(Darcy)在研究城市供水問題時(shí)進(jìn)行了滲流試驗(yàn)或：單位時(shí)間、流過單位面積的流量v與水頭差成正比，與滲流長度成反比。其中，A：試樣的斷面積Q：單位時(shí)間的流量二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律3.2土的滲透性與滲透規(guī)律達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度，單位：

cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度3.2土的滲透性與滲透規(guī)律二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律單位時(shí)間、流過單位面積的流量v滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，vv為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速3.2土的滲透性與滲透規(guī)律二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律土顆粒土中水滲流適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律?？捎美字Z數(shù)進(jìn)行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細(xì)砂極細(xì)砂h10dvRe=Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re

＞5時(shí)為過渡區(qū)

達(dá)西定律的適用范圍3.2土的滲透性與滲透規(guī)律v：平均流速、η：運(yùn)動粘滯系數(shù)、d10：有效粒徑二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時(shí)，達(dá)西定律不再適用，此時(shí)：ivoi0兩種特例對致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？ivovcri>i0,v=k(i-i0)達(dá)西定律的適用范圍3.2土的滲透性與滲透規(guī)律二、土的滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)方法野外試驗(yàn)方法三、滲透系數(shù)的測定及影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const

量測變量:體積V，t適用土類：透水性較大的砂性土hL土樣AVQ常水頭試驗(yàn)法3.2土的滲透性與滲透規(guī)律Q：單位時(shí)間的流量；V：流量；V=Qt三、滲透系數(shù)的測定及影響因素試驗(yàn)條件:Δh變化

A，a，L=const

量測變量:h，t適用土類：透水性較小

的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)a變水頭試驗(yàn)法3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭測管開關(guān)在tt+dt時(shí)段內(nèi)：

選擇幾組量測結(jié)果

，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值變水頭試驗(yàn)法3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素hdhtt+dt水頭差降低了入流量：出流量：連續(xù)性條件：常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測定公式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素是影響土中孔隙直徑大小的主要因素粗顆粒形成大孔隙；細(xì)顆粒充填大孔隙→細(xì)顆粒決定土體孔隙的大小→土的滲透系數(shù)常用有效粒徑d10來表示，如哈臣公式：土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素是單位土體中孔隙體積的直接度量對于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數(shù)k之間的關(guān)系，如：土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素對粘性土，影響顆粒的表面力粘土礦物不同，滲透系數(shù)相差極大：高嶺石>伊里石>蒙脫石；當(dāng)粘土中含有可交換的鈉離子越多時(shí)，其滲透性將越低塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素影響孔隙系統(tǒng)的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)（片架結(jié)構(gòu)）>分散結(jié)構(gòu)（片堆結(jié)構(gòu)）土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素飽和曲線含水量wWop干容重dmax1含水量w滲透系數(shù)k凝聚結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)水的運(yùn)動粘滯系數(shù)η：

溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道：飽和度小→k小土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素3.2土的滲透性與滲透規(guī)律三、滲透系數(shù)的測定及影響因素非飽和土，飽和土？等效滲透系數(shù)天然土層多呈層狀四、層狀地基的等效滲透系數(shù)3.2土的滲透性與滲透規(guī)律水平等效滲透系數(shù)垂直等效滲透系數(shù)各層土的ki單一土層的k總體的透水性不變hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層水平等效滲透系數(shù):kx=?已知條件:達(dá)西定律:水平等效滲透系數(shù)kx3.2土的滲透性與滲透規(guī)律四、層狀地基的等效滲透系數(shù)LH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kz=?已知條件:達(dá)西定律:垂直等效滲透系數(shù):垂直等效滲透系數(shù)kz3.2土的滲透性與滲透規(guī)律四、層狀地基的等效滲透系數(shù)算例說明按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz2.2土的滲透性與滲透規(guī)律四、層狀地基的等效滲透系數(shù)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知公式四、層狀地基的等效滲透系數(shù)3.2土的滲透性與滲透規(guī)律練習(xí)6

直徑10.0cm，高度15.0cm的砂質(zhì)土，以10.0cm的水頭差進(jìn)行了常水頭滲透試驗(yàn)。測得1分鐘的流量為120cm3。試計(jì)算①平均流速v（cm/s），②水力坡降i，③土的滲透系數(shù)（cm/s）。設(shè)土的孔隙比為0.5，則④實(shí)際流速vv是多少？【解】練習(xí)7

設(shè)用于變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的直徑為7.10cm，高度為10.05cm。滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為1.00cm。試驗(yàn)開始時(shí)間為10時(shí)10分，水頭差為142.1cm。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為11時(shí)20分，水頭差為107.4cm。試計(jì)算粘土的滲透系數(shù)k（cm/s）?！窘狻喀=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>0水在流動時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力＝流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力j：（滲透作用中，）孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗(yàn)觀察h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流滲透力j：體積力滲透力j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗(yàn)觀察總滲透力J＝土粒對水流的阻力（＝水流克服阻力的損失（水頭損失））（γw△hA）3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗(yàn)觀察J水流作用于土體的總滲透力：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透力：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流克服摩阻力造成的能量損失截面積

A=1h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abWW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整體受力分析-靜水3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析濾網(wǎng)承受的力R=？有效重量w’截面積

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析濾網(wǎng)承受的力R=？有效重量w’R=L-wh土水整體受力分析-對比h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab靜水中的土體滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)承受的力減少了R=L減少的部分由誰承擔(dān)？總滲透力：J=wh滲透力j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力j=J/V=wh

/L=wi3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析i大，則j大R=W’-J滲流中的土體物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大?。?/p>

j=wi方向：與水力坡降方向一致作用對象：土骨架3.3滲透力與滲透變形滲透力－性質(zhì)滲流向上時(shí)，濾網(wǎng)承受的力減少。濾網(wǎng)承受的力為零時(shí)的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力坡降：R=L-wh=0h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abicr=h/L=/w由于icr取決于土的物理性質(zhì)3.3滲透力與滲透變形臨界水力坡降R=W’-J=0孔隙比e大，icr小土工結(jié)構(gòu)物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工結(jié)構(gòu)物發(fā)生破壞的常見類型3.3滲透力與滲透變形滲透變形基本類型流土管涌形成條件防治措施流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實(shí)度有關(guān)3.3滲透力與滲透變形滲透變形－流土Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降

i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)

i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)

i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設(shè)計(jì)：在自下而上的滲流逸出處，任何類型的土，只要滿足水力坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：3.3滲透力與滲透變形滲透變形－流土可能性的判別壩體原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷3.3滲透力與滲透變形滲透變形－管涌土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件（內(nèi)因）和水力條件（外因）3.3滲透力與滲透變形滲透變形－管涌可能性的判別較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細(xì)顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細(xì)粒含量>35%細(xì)粒含量<25%細(xì)粒含量=25-35%d0