土滲透性與工程降水

土滲透性與工程降水第一頁，共101頁。土體具有被液體（如土中水）透過的性質稱為土的滲透性，或稱透水性。液體（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透水性介質（如水工建筑物）中的流動問題稱為滲流。3.1概述非飽和土的滲透性較復雜，此不作介紹。第二頁，共101頁。3.1概述（1）滲流量問題土的滲透性研究內容如基坑開挖或施工圍堰時的滲水量及排水量計算，土堤壩身、壩基土中的滲水量，水井的供水量或排水量等第三頁，共101頁。3.1概述（2）滲透破壞問題土的滲透性研究內容土中的滲流會對土顆粒施加作用力，即滲流力（滲透力），當滲流力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動，產生滲透變形，甚至滲透破壞。第四頁，共101頁。3.1概述（3）滲流控制問題土的滲透性研究內容當滲流量或滲透變形不滿足設計要求時，就要研究工程措施進行滲流控制。第五頁，共101頁。工程案例2003年7月1日凌晨，建設中的上海軌道交通4號線突發(fā)險情，造成若干地面建筑遭到破壞。第六頁，共101頁。工程案例1998年8月7日13:10，九江大堤發(fā)生管涌險情，很快形成寬62m的潰口，洪水滔滔，局面一時無法控制。洪水向九江市區(qū)蔓延，靠近決堤口的市民被迫向樓房轉移。經(jīng)軍民三晝夜的奮戰(zhàn)，10日堵口圍堰合龍。給國家造成巨大損失。第七頁，共101頁。由于土體顆粒排列具有任意性，水在孔隙中流動的實際路線是不規(guī)則的，滲流的方向和速度都是變化著的。土體兩點之間的壓力差和土體孔隙的大小、形狀和數(shù)量是影響水在土中滲流的主要因素。3.2滲透規(guī)律和滲透系數(shù)3.2.1土的滲透性第八頁，共101頁。在滲流分析時，為了分析方便，常將復雜的滲流土體簡化為一種理想的滲流模型第九頁，共101頁。滲流模型基本假定：不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；認為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿；同一過水斷面，滲流模型的流量等于真實滲流的流量；任一界面上，滲流模型的壓力與真實滲流的壓力相等；相同體積內，滲流模型所受阻力與真實滲流相等。第十頁，共101頁。水在飽和土體中滲流時，在垂直于滲流方向取一個土體截面，該截面叫過水截面。過水截面包括土顆粒和孔隙所占據(jù)的面積，平行滲流時為平面，彎曲滲流時為曲面。在時間t內滲流通過該過水截面（其面積為A）的滲流量為Q，則滲流速度為（3-1）1.滲流速度第十一頁，共101頁。滲流速度表征滲流在過水截面上的平均流速，并不代表水在土中滲流的真實流速。水在飽和土體中滲流時，其實際平均流速為（3-2）第十二頁，共101頁。2.水頭、水力梯度第十三頁，共101頁。根據(jù)水力學知識，水在土中從A點滲透到B點應該滿足連續(xù)定律和能量方程（Bernouli方程），水在土中任意一點的水頭可以表示成（3-3）2.水頭、水力梯度第十四頁，共101頁。在實際計算中最關心的是水頭差的大?。ㄈ鐖D3-2所示，水流從A點流動到B點的過程中的水頭損失為△h），因而基準面可以任意選取，對應的水頭不同。2.水頭、水力梯度注意：水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動。位置水頭z的大小與基準面的選取有關，因此水頭的大小隨著選取的基準面的不同而不同。第十五頁，共101頁。水在土中滲流時受到土的阻力較大，一般情況下滲流的速度很小，例如，取一個較大的水流速度v=1.5cm/s，它產生的速度水頭大約為0.0012cm，這和位置水頭或壓力水頭差幾個數(shù)量級，因此在土力學中一般忽略速度水頭的影響。式（3-3）可簡化為2.水頭、水力梯度（3-4）第十六頁，共101頁。如圖3-2所示，水流從A點流到B點的過程中的水頭損失為△h，那么在單位流程中水頭損失的多少就可以表征水在土中滲流的推動力的大小，可以用水力坡降（也稱水力梯度）來表示，即2.水頭、水力梯度（3-5）第十七頁，共101頁。層流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透地下水在巖石的裂隙或空洞中流動，速度較大3.2.2達西定律及適用范圍由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動狀態(tài)大多屬于層流。

地下水運動的兩種形式第十八頁，共101頁。達西定律達西（H.Darcy）為了研究水在砂土中的流動規(guī)律，進行了大量的滲流試驗，得出了層流條件下土中水滲流速度和水頭損失之間關系的滲流規(guī)律，即達西定律。試驗筒中部裝滿砂土。試樣長度為L，截面積為A，從試驗筒頂部右端注水，使水位保持穩(wěn)定，砂土試樣兩端各裝一支測壓管，測得前后兩支測壓管水位差為△h，試驗筒右端底部留一個排水口排水。第十九頁，共101頁。達西定律在某一時段t內，水從砂土中流過的滲流量Q與過水斷面A和土體兩端測壓管中的水位差△h成正比，與土體在測壓管間的距離L成反比。那么，達西定律可表示為（3-6）（3-7）第二十頁，共101頁。例題3-1如例圖3-1所示，在恒定的總水頭差之下水自下而上透過兩個土樣，從土樣1頂面溢出，試求：（1）以土樣2底面c-c為基準面，求該面的總水頭和靜水頭（壓力水頭）；（2）已知水流經(jīng)土樣2的水頭損失為總水頭差的30%，求b-b面的總水頭和靜水頭?！窘狻浚喝缋?-1圖，可知本題為定水頭實驗，水自下而上流過兩個土樣，相關幾何參數(shù)列于圖中。第二十一頁，共101頁。例題3-1（1）以c-c為基準面，則有：（2）已知Δhbc=30%Δhac，而Δhac由例圖3-1知，為30cm，則：則：b-b面總水頭而zb=30cm，故第二十二頁，共101頁。例題3-2在例3-1中若已知土樣2的滲透系數(shù)為0.05cm/s，試求：（1）單位時間內土樣橫截面單位面積的流量；（2）土樣1的滲透系數(shù)。【解】：已知k2=0.05cm/s，在例3-1中已求得Δhbc=9cm，（1）單位時間內土樣橫截面單位面積的流量即滲流速度為：第二十三頁，共101頁。例題3-2（2）因為且由連續(xù)性條件：則土樣1的滲透系數(shù)為：第二十四頁，共101頁。研究表明，達西定律所表示滲流速度與水力坡降成正比關系是在特定的水力條件下的試驗結果。隨著滲流速度的增加，這種線性關系不再存在，因此達西定律應該有一個適用界限。實際上水在土中滲流時，由于土中孔隙的不規(guī)則性，水的流動是無序的，水在土中滲流的方向、速度和加速度都在不斷地改變。達西定律適用范圍第二十五頁，共101頁。水在粗顆粒土中滲流時，隨著滲流速度的增加，水在土中的運動狀態(tài)可以分成以下3種情況：（1）水流速度很小，為粘滯力占優(yōu)勢的層流，達西定律適用，這時雷諾數(shù)Re小于1～10之間的某一值；（2）水流速度增加到慣性力占優(yōu)勢的層流和層流向紊流過渡時，達西定律不再適用，這時雷諾數(shù)Re在10～100之間；（3）隨著雷諾數(shù)Re的增大，水流進入紊流狀態(tài)，達西定律完全不適用。達西定律適用范圍粗顆粒土第二十六頁，共101頁。圖3-4為一典型的水力坡降與滲流速度之間的關系曲線，圖中虛線為達西定律。當雷諾數(shù)Re＜10時，滲流服從達西定律，而層流的界限Re一般要大于100。達西定律適用范圍第二十七頁，共101頁。在黏性土中由于土顆粒周圍結合水膜的存在而使土體呈現(xiàn)一定的粘滯性。因此，一般認為黏土中自由水的滲流必然會受到結合水膜粘滯阻力的影響，只有當水力坡降達一定值后滲流才能發(fā)生，將這一水力坡降稱為黏性土的起始水力坡降

i0，即存在一個達西定律有效范圍的下限值。此時，達西定律可寫成達西定律適用范圍（3-8）黏性土第二十八頁，共101頁。圖3-5繪出典型砂土和黏性土的滲透試驗結果。其中，直線a表示砂土的結果，虛線c表示黏土的結果，對于后者為應用方便起見一般用直線b來代替。達西定律適用范圍第二十九頁，共101頁。3.2.3滲透系數(shù)的影響因素（1）土顆粒的粒徑、級配和礦物成分一般情況下，細粒土的孔隙通道比粗粒土的小，其滲透系數(shù)也較??；級配良好的土，粗粒土間的孔隙被細粒土所填充，它的滲透系數(shù)比粒徑級配均勻的土??；在黏性土中，粘粒表面結合水膜的厚度與顆粒的礦物成分有很大關系，結合水膜的厚度越大，土粒間的孔隙通道越小，其滲透性也就越小。（2）土的孔隙比同一種土，孔隙比越大，則土中過水斷面越大，滲透系數(shù)也就越大。滲透系數(shù)與孔隙比之間的關系是非線性的，與土的性質有關。第三十頁，共101頁。3.2.3滲透系數(shù)的影響因素（3）土的結構和構造當孔隙比相同時，絮凝結構的黏性土，其滲透系數(shù)比分散結構的大；宏觀構造上的成層土及扁平粘粒土在水平方向的滲透系數(shù)遠大于垂直方向的。（4）土的飽和度土中的封閉氣泡不僅減小了土的過水斷面，而且可以堵塞一些孔隙通道，使土的滲透系數(shù)降低，同時可能會使流速與水力坡降之間的關系不符合達西定律。（5）滲流水的性質水的流速與其動力粘滯度有關，動力粘滯度越大流速越??；動力粘滯度隨溫度的增加而減小，因此溫度升高一般會使土的滲透系數(shù)增加。第三十一頁，共101頁。3.2.4滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定方法主要分室內試驗測定和現(xiàn)場測定兩大類。1.滲透系數(shù)的室內試驗測定目前在實驗室中測定滲透系數(shù)

的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。第三十二頁，共101頁。常水頭法常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數(shù)，從而水頭差也為常數(shù)常水頭試驗適用于測定透水性大的砂性土的滲透系數(shù)。黏性土由于滲透系數(shù)很小，滲透水量很少，用這種試驗不易準確測定，須改用變水頭試驗。常水頭滲透試驗裝置第三十三頁，共101頁。常水頭法試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開閥門，使水自上而下流經(jīng)試樣，并自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩(wěn)定后，量測經(jīng)過—定時間t內流經(jīng)試樣的水量V，則（3-9）第三十四頁，共101頁。常水頭法根據(jù)達西定律，從而得出（3-10）（3-11）第三十五頁，共101頁。變水頭法變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直在隨時間而變化水流從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經(jīng)土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要的高度后，開動秒表，測記起始水頭差

△h1，經(jīng)過時間t后，再測記終了水頭差△h2

，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數(shù)k的表達式。第三十六頁，共101頁。變水頭法設試驗過程中任意時刻t作用于試樣兩端的水頭差為△h1，經(jīng)過dt時段后，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為（3-12）式中a為玻璃管斷面積；右端的負號表示水量隨h的減少而增加。第三十七頁，共101頁。變水頭法根據(jù)達西定律，

時間內流出試樣的滲流量為：（3-13）式中，A—試樣斷面積；L—試樣長度。根據(jù)水流連續(xù)原理，應有，即（3-14）（3-15）第三十八頁，共101頁。變水頭法等式兩邊各取積分（3-16）改用常用對數(shù)表示，則上式可寫為從而得到土的滲透系數(shù)（3-17）（3-18）（3-19）第三十九頁，共101頁。例題3-3設做變水頭滲透試驗的黏土試樣的截面積為30cm2,厚度為40cm。滲透儀細玻璃管的內徑為0.4cm，實驗開始時的水位差為145cm，經(jīng)過7min25s觀察的水位差為100cm，試求試樣的滲透系數(shù)?！窘狻康谒氖?，共101頁。實驗室測定滲透系數(shù)k的優(yōu)點是設備簡單，費用較省。但是，由于土的滲透性與土的結構有很大的關系，地層中水平力方向和垂直方向的滲透性往往不一樣；再加之取樣時的擾動，不易取得具有代表性的原狀土樣，特別是砂土。因此，室內試驗測出的k值常常不能夠很好地反映現(xiàn)場中土的實際滲透性質。為了量測地基土層的實際滲透系數(shù)，可直接在現(xiàn)場進行k值的原位測定。第四十一頁，共101頁。3.2.4滲透系數(shù)的測定2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定在現(xiàn)場研究場地的滲透性，進行滲透系數(shù)

值測定時，常用現(xiàn)場井孔抽水試驗或注水試驗的方法。對于均質的粗粒土層，用現(xiàn)場抽水試驗測出的k值往往會比室內試驗更為可靠。下面主要介紹用抽水試驗確定k值的方法。第四十二頁，共101頁。2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定圖3-7為一現(xiàn)場井孔抽水試驗示意圖。在現(xiàn)場打一口試驗井，貫穿要測定k值的砂土層，井在距井中心不同距離處設置一個或兩個觀測孔。然后自井中以不變的速率連續(xù)進行抽水。第四十三頁，共101頁。2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定抽水造成井周圍的地下水位逐漸下降，形成一個以井孔為軸心的漏斗狀的地下水面。測定試驗井和觀察孔中的穩(wěn)定水位，可以畫出測壓管水位變化圖形。測管水頭差形成的水力坡降，使水流向井內。第四十四頁，共101頁。2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定假定水流是水平流向時，則流向水井的滲流過水斷面應是一系列的同心圓柱面。待出水量和井中的動水位穩(wěn)定一段時間后，若測得的抽水量為Q，觀測孔距井軸線的距離分別為r1，r2，孔內的水位高度為h1，h2，通過達西定律即可求出土層的平均k值。第四十五頁，共101頁。圍繞井抽取一過水斷面，該斷面距井中心距離為r，水面高度為h，則過水斷面積A為（3-20）假設該過水斷面上各處水力坡降為常數(shù)，且等于地下水位線在該處的坡度時，則根據(jù)達西定律，單位時間自井內抽出的水量為（3-21）（3-22）2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定（3-23）第四十六頁，共101頁。等式兩邊進行積分（3-24）或用常用對數(shù)表示，則為從而得出（3-25）（3-26）2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定（3-27）第四十七頁，共101頁。工程中涉及到的許多滲流問題一般為二維或三維問題。在一些特定條件下，可以簡化為二維問題,典型問題如壩基、河灘路堤及基坑擋土墻等。圖3-8為壩下地基平面滲流問題，對于該類問題可先建立滲流微分方程，然后結合滲流邊界條件和初始條件進行求解。3.3二維滲流與流網(wǎng)第四十八頁，共101頁。3.3二維滲流與流網(wǎng)數(shù)學解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地發(fā)展電模擬試驗法：利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題圖繪流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題第四十九頁，共101頁。3.3二維滲流與流網(wǎng)流網(wǎng)--滲流場中的兩族相互正交曲線（等勢線和流線）所形成的網(wǎng)絡狀曲線簇。流線--水質點運動的軌跡線。等勢線--測管水頭相同的點之連線。流網(wǎng)法--通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡狀曲線簇來求解滲流問題。第五十頁，共101頁。流網(wǎng)是由流線（圖3-8中實線）和等勢線（圖3-8中虛線）兩組互相垂直交織的曲線所組成。在穩(wěn)定滲流情況下流線表示水質點的運動線路，而等勢線表示勢能或水頭的等值線，即每一條等勢線上的測壓管水位都是相同的。3.3二維滲流與流網(wǎng)第五十一頁，共101頁。3.3.1二維滲流連續(xù)方程在二維滲流平面內取一微元體（圖3-9），微元體的長度和高度分別為dx、dz，厚度為dy=1，圖3-9給出了單位時間內從微元體四邊流入或流出的水量。假定：1)土體和水都是不可壓縮的；2)二維滲流平面內(x,z)點處的總水頭為h；3)土是均質各向同性，即kx=kz

。第五十二頁，共101頁。在x軸方向，x和x+dx處的水力坡降分別為ix和ix+dix；在z軸方向，z和dz處的水力坡降分別為iz和iz+diz。則有（3-28）根據(jù)達西定律，流入和流出微元體的水量分別為（3-29）（3-30）（3-31）3.3.1二維滲流連續(xù)方程第五十三頁，共101頁。根據(jù)能量守恒定理，單位時間內流入的水量應該等于流出的水量，那么（3-32）將式（3-29）代入式（3-33），即可得（3-33）（3-34）3.3.1二維滲流連續(xù)方程將式（3-30）、式（3-31）和dy=1代入式（3-32），并經(jīng)適當簡化得第五十四頁，共101頁。式（3-34）為描述二維穩(wěn)定滲流的連續(xù)方程，即著名的拉普拉斯（Laplace）方程。3.3.1二維滲流連續(xù)方程拉普拉斯方程描述的滲流問題滿足：(1)穩(wěn)定滲流；(2)滿足達西定律；(3)水和土體是不可壓縮的；(4)均勻介質或是分塊均勻介質。第五十五頁，共101頁。對于各向同性的均質土體，可將流網(wǎng)的性質總結如下：（1）流網(wǎng)中的流線和等勢線是正交的；（2）流網(wǎng)中各等勢線間的差值相等，各流線之間的差值也相等，那么各個網(wǎng)格的長寬之比為常數(shù)；（3）流網(wǎng)中流線密度越大的部位流速越大，等勢線密度越大的部位水力坡降越大。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用1.流網(wǎng)的性質第五十六頁，共101頁。由流網(wǎng)圖可以計算滲流場內各點的測壓管水頭、水力坡降、流速及滲流場的滲流量，下面以圖3-8為例對流網(wǎng)的應用進行說明。1.流網(wǎng)的性質第五十七頁，共101頁。根據(jù)流網(wǎng)的性質可知，任意相鄰等勢線之間的勢能差值相等，即水頭損失相同，那么相鄰兩條等勢線之間的水頭損失為1.流網(wǎng)的性質1）測壓管水頭（3-35）根據(jù)式（3-35）所計算出的水頭損失和已確定的基準面，就可以計算出滲流場中任意一點的水頭。第五十八頁，共101頁。流網(wǎng)中任意一網(wǎng)格的平均水力坡降為1.流網(wǎng)的性質2）水力坡降（3-36）流網(wǎng)中最大的水力坡降也叫溢出坡降，是地基滲透穩(wěn)定的控制坡降。第五十九頁，共101頁。流網(wǎng)中任意相鄰流線之間的單位滲透流量是相同的?，F(xiàn)在來計算圖3-8所示陰影網(wǎng)格的流量。根據(jù)達西定律，網(wǎng)格中任意一點的滲透速度為1.流網(wǎng)的性質3）滲流量（3-37）那么，單位滲透流量為第六十頁，共101頁。若假設a=b，則3）滲流量（3-38）那么，通過滲流區(qū)的總單位滲透流量為（3-39）總滲透流量為（3-40）第六十一頁，共101頁。工程上往往通過模型試驗或者數(shù)值計算來繪制流網(wǎng)，也可以采用漸近手繪法來近似繪制流網(wǎng)。但是無論哪種方法都必須遵守流網(wǎng)的性質，同時也要滿足流場的邊界條件，以保證解的惟一性。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用2.流網(wǎng)的繪制圖解手繪法就是用繪制流網(wǎng)的方法求解拉普拉斯方程的近似解。該方法的最大優(yōu)點就是簡便迅速，能應用于建筑物邊界輪廓等較復雜的情況，而且其精度一般不會比土質不均勻性所引起的誤差大，完全可以滿足工程精度要求，在實際工程中得到廣泛的應用。第六十二頁，共101頁。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用基本要求1.正交性：流線與等勢線必須正交2.各個網(wǎng)格的長寬比l/s=c應為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。第六十三頁，共101頁。流網(wǎng)繪制方法概述根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形流線→等勢線→反復修改，調整精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)第六十四頁，共101頁。（1）根據(jù)流網(wǎng)的邊界條件確定和繪制出邊界流線和等勢線。壩基輪廓線A-B-C-D和不透水層面0-0為流網(wǎng)的邊界流線，上下游透水地基表面1-A和D-1為邊界等勢線。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用第六十五頁，共101頁。（2）初步繪制流網(wǎng)：按邊界趨勢先大致繪制出幾條流線如，②、③、④，每條流線必須與邊界等勢線正交。然后再從中央向兩邊繪制等勢線，如先繪制中線6，再繪制5和7，依次向兩邊推進，每條等勢線與流線必須正交，并且彎曲成曲線正方形。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用第六十六頁，共101頁。（3）對初步繪制的流網(wǎng)進行修改，直至大部分網(wǎng)格滿足曲線正方形為止。由于邊界條件的不規(guī)則，在邊界突變出很難繪制成曲線正方形，這主要是由于流網(wǎng)圖中流線和等勢線的根數(shù)有限造成的，只要滿足網(wǎng)格的平均長度和寬度大致相等，就不會影響整個流網(wǎng)的精度。3.3.2流網(wǎng)的特征及應用第六十七頁，共101頁。滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部土體產生移動，導致土體變形甚至失穩(wěn)。主要表現(xiàn)為流砂和管涌。二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導致土體或結構物失穩(wěn)。主要表現(xiàn)為岸坡滑動或擋土墻等構造物整體失穩(wěn)。3.4滲透力和滲透破壞第六十八頁，共101頁。水在土體流動時，由于受到土粒的阻力，而引起水頭損失，從作用力與反作用力的原理可知，水流經(jīng)過時必定對土顆粒施加一種滲流作用力。單位體積土顆粒所受到的滲流作用力為滲流力。3.4.1滲流力第六十九頁，共101頁。在圖3-11的滲透破壞試驗中，左側貯水箱初始水位與土樣頂面水位相齊，試樣兩端沒有水頭差。升高貯水箱，土樣下端水頭高于上端水頭，產生自下而上的滲流。對土樣假想將土骨架和水分開來取隔離體，則對假想水柱隔離體來說，作用在其上的力有：3.4.1滲流力第七十頁，共101頁。（1）水柱重力Gw為土中水重力和土粒浮力的反力（等于土粒同體積的水重）之和，即：3.4.1滲流力（2）水柱上下兩端面的邊界水壓力，和（3）土柱內土粒對水流的阻力，其大小應與滲流力相等，方向相反。設單位土體內的滲流力和土粒對水流阻力分別為J和T，則土粒對水流總阻力

，方向豎直向下，而單位土體內的滲流力J=T，方向豎直向上。第七十一頁，共101頁?，F(xiàn)考慮假想水柱隔離體[圖3-11(b)]的平衡條件，可得3.4.1滲流力從式（3-43）可知，滲流力是一種體積力，量綱與

相同。滲透力的大小和水力梯度成正比，其方向與滲透方向一致。（3-41）（3-42）得到（3-43）第七十二頁，共101頁。圖3-11的試驗裝置中，若貯水器不斷上提，則△h逐漸增大，從而作用在土體中的滲流力也逐漸增大。當△h增大到某一數(shù)值，向上的滲流力克服了向下的重力時，土體就要發(fā)生浮力或受到破壞。將這種在向上的滲流力作用下，粒間有效應力為零時，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象。3.4.2流砂或流土現(xiàn)象這種現(xiàn)象多發(fā)生在顆粒級配均勻的飽和細、粉砂和粉土層中。它的發(fā)生一般都是突發(fā)性的，對工程危害極大，如圖3-12所示。第七十三頁，共101頁。3.4.2流砂或流土現(xiàn)象第七十四頁，共101頁。流砂現(xiàn)象的產生不僅取決于滲流力的大小，同時與土的顆粒級配、密度及透水性等條件相關。使土開始發(fā)生流砂現(xiàn)象時的水力梯度稱為臨界水力梯度

，顯然，滲流力

等于土的浮重度

時，土處于產生流砂的臨界狀態(tài)，因此臨界水力梯度

為3.4.2流砂或流土現(xiàn)象（3-44）第七十五頁，共101頁。臨界水力梯度與土性密切相關。研究表明，土的不均勻系數(shù)愈大，icr值愈??；土中細顆粒含量高，icr值增大；土的滲透系數(shù)愈大，臨界水力坡度愈低。上海地區(qū)的經(jīng)驗表明流砂現(xiàn)象多發(fā)生在下列特征的土層中：①土的顆粒組成中，粘粒含量小于10%，粉粒、砂粒含量大于75%；②土的不均勻系數(shù)小于5；③土的含水量大于30%；④土的孔隙率大于43%（孔隙比大于0.75）；⑤黏性土中夾有砂層時，其厚度大于25cm；國外文獻資料也有類似的標準即：孔隙比e＞0.75~0.80，有效粒徑d10＜0.1mm及不均勻系數(shù)Cu小于5的細砂最易發(fā)生流砂現(xiàn)象。3.4.2流砂或流土現(xiàn)象第七十六頁，共101頁。如例圖3-4所示，在長為10cm，面積8cm2的圓筒內裝滿砂土。經(jīng)測定，粉砂的土粒比重Gs=2.65，孔隙比e=0.9，筒下端與管相連，管內水位高出筒5cm(固定不變)，流水自下而上通過試樣后可溢流出去。試求：（1）滲流力的大??；（2）臨界水力梯度icr值，判斷是否會產生流砂現(xiàn)象。例題3-4【解】（1）水力坡降滲透力的大小為：第七十七頁，共101頁。（2）土的浮重度為：例題3-4臨界水力坡降因為所以不會發(fā)生流砂現(xiàn)象。第七十八頁，共101頁。①減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點降水法降低地下水位（圖3-13，圖3-14），或采取水下挖掘；②增長滲流路徑，如打板樁；③在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；④土層加固處理。如凍結法、注漿法等。流砂現(xiàn)象的防治原則第七十九頁，共101頁。在水流滲透作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導致土體內形成貫通的滲流通道，如圖3-15所示，造成土體坍塌，這種現(xiàn)象稱為管涌。3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象湖南望城湘江大堤管涌第八十頁，共101頁。在自然界，在一定條件下同樣會發(fā)生上述滲透破壞作用，為了與人類工程活動所引起的管涌相區(qū)別，通常稱之為潛蝕。潛蝕作用有機械的和化學的兩種。機械潛蝕是指滲流的機械力將細土粒沖走而形成洞穴；化學潛蝕是指水流溶解了土中的易溶鹽或膠結物使土變松散，細土粒被水沖走而形成洞穴。3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象第八十一頁，共101頁。①幾何條件：土中粗顆粒所構成的孔隙直徑必須大于顆粒的直徑，這是必要條件，一般不均勻系數(shù)Cu＞10的土才會發(fā)生管涌；②水受力條件：滲流力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動是發(fā)生管涌的水力條件，可用管涌的水力梯度來表示，但管涌臨界水力梯度的計算至今尚未成熟。對于重大工程，應盡量由試驗確定。無黏性土發(fā)生管涌的條件第八十二頁，共101頁。①改變水力條件，降低水力梯度，如打板樁；防治管涌現(xiàn)象第八十三頁，共101頁。②改變幾何條件，在滲流逸出部位鋪設反濾層是防止管涌破壞的有效措施。防治管涌現(xiàn)象設置反濾層，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。上圖為某河堤基礎加筋土工布反濾層第八十四頁，共101頁。流土與管涌的區(qū)別與判斷1.流土——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、淤泥等較易發(fā)生流土破壞第八十五頁，共101頁。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流土與管涌的區(qū)別與判斷第八十六頁，共101頁。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)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)象流土與管涌的區(qū)別與判斷流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口第八十七頁，共101頁。地下水按埋藏條件不同可分為三類3.5地下水和工程降水的常用方法3.5.1地下水分類上層滯水、潛水和承壓水第八十八頁，共101頁。3.5.1地下水分類（1）上層滯水積聚在局部隔水層上的水稱為上層滯水。這種水靠雨水補給，有季節(jié)性。上層滯水范圍不大，存在于雨季，旱季可能干涸。第八十九頁，共101頁。3.5.1地下水分類（2）潛水埋藏在地表下第一個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水稱為潛水。自由水面為潛水面，水面的標高稱為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離hw為地下水的埋藏深度。潛水由雨水與河水補給，水位也有季節(jié)性變化。第九十頁，共101頁。3.5.1地下水分類（3）承壓水埋藏在兩個連續(xù)分布的隔水層之間完全充滿的有壓地下水稱為承壓水，它通常存在于砂卵石層中。砂卵石層呈傾斜狀分布，在地勢高處砂卵石層水位高，對地勢低處產生靜水壓力。若打穿承壓水頂面的第一隔水層，則承壓水因有壓力自上涌，壓力大的可以噴出地面。第九十一頁