土的工程特性分析-土的滲透性(地基基礎(chǔ)施工課件)

變水頭法土的滲透性

當(dāng)飽和土中的兩點(diǎn)存在能量差時(shí)，水就在土的孔隙中從能量高的點(diǎn)向能量低的點(diǎn)流動(dòng)。滲流：水在土體中流動(dòng)的現(xiàn)象。滲透性：土具有被水等液體透過(guò)的性質(zhì)。

滲透研究的內(nèi)容：1.滲流量。2.滲透變形(滲透破壞)3.滲流控制水頭：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一點(diǎn)的總水頭由三部分組成：

1.位置水頭z

2.壓力水頭u/

w

3.

流速水頭v2/2g達(dá)西定律一、土的滲透定律——達(dá)西定律（H.Darcy,1856）

1.滲流中的總水頭與水力坡降

液體流動(dòng)必須滿足的條件：連續(xù)原理能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程)

為了研究的方便，常用水頭的概念來(lái)研究水體流動(dòng)中的位能和動(dòng)能。h=z+u/

w+v2/2g

由于土中滲流阻力大，流速v在一般情況下都很小，可以忽略。達(dá)西定律h=z

+

u/

w

伯努里方程用于土中滲流時(shí)有兩點(diǎn)需要指出：(1)飽和土體中兩點(diǎn)間是否出現(xiàn)滲流，完全由總水頭差決定。只有當(dāng)兩點(diǎn)間的總水頭差時(shí)，才會(huì)發(fā)生水從總水頭高的點(diǎn)向總水頭低的點(diǎn)流動(dòng)。(2)由于土中滲流阻力大，故流速v在一般情況下都很小，因而形成的流速水頭也很小，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)可以忽略。水力坡降由于滲流過(guò)程中存在能量損失，測(cè)管水頭線沿滲流方向下降。兩點(diǎn)間的水頭損失，可用一無(wú)量綱的形式來(lái)表示，即

i=

h/L

i稱為水力坡降，L為兩點(diǎn)間的滲流路徑，水力坡降的物理意義:單位滲流長(zhǎng)度上的水頭損失。2達(dá)西定律達(dá)西根據(jù)對(duì)不同尺寸的圓筒和不同類型及長(zhǎng)度的土樣所進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滲出量Q與圓筒斷面積A和水力坡降i成正比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)。即寫(xiě)成等式為：上式稱為達(dá)西定律。式中，v－斷面平均滲透速度，單位mm/s或m/day；

k－反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為土的滲透系數(shù)。它相當(dāng)于水力坡降i＝1時(shí)的滲透速度，故其量綱與流速相同，mm/s或m/day。

滲透流速v并不是土孔隙中水的實(shí)際平均流速。因?yàn)楣酵茖?dǎo)中采用的是土樣的整個(gè)斷面積，其中包括了土粒骨架所占的部分面積在內(nèi)。土粒本身是不能透水的，故真實(shí)的過(guò)水面積Av應(yīng)小于A，從而實(shí)際平均流速認(rèn)應(yīng)大于v。一般稱v

為假想滲流速度v與vs的關(guān)系可通過(guò)水流連續(xù)原理建立:

Vs=v/n

為了研究的方便，滲流計(jì)算中均采用假想的平均流速。

滲透速度與實(shí)際平均流速

達(dá)西定律的適用范圍

達(dá)西定律是描述層流狀態(tài)下滲透流速與水頭損失關(guān)系的規(guī)律，即滲流速度v與水力坡降i成線性關(guān)系只適用于層流范圍。在土木工程中，絕大多數(shù)滲流，無(wú)論是發(fā)生砂土中或一般的粘性土中，均介于層流范圍，故達(dá)西定律均可適用。3滲透系數(shù)的測(cè)定和影響因素

滲透系數(shù)k是一個(gè)代表土的滲透性強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，也是滲流計(jì)算時(shí)必須用到的一個(gè)基本參數(shù)。不同種類的土，k值差別很大。因此，準(zhǔn)確地測(cè)定土的滲透系數(shù)是一項(xiàng)十分重要的工作。

(1)滲透系數(shù)的測(cè)定方法

滲透系數(shù)的測(cè)定方法主要分實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定和野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定兩大類。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法目前在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定滲透系數(shù)k的試驗(yàn)方法很多，但從試驗(yàn)原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法現(xiàn)場(chǎng)研究場(chǎng)地的滲透性，進(jìn)行滲透系數(shù)k值測(cè)定時(shí)，常用現(xiàn)場(chǎng)井孔抽水試驗(yàn)或井孔注水試驗(yàn)的方法。

常水頭試驗(yàn)

適用于測(cè)定透水性大的砂性土的滲透系數(shù)。變水頭試驗(yàn)

適用于測(cè)定滲透性很小的粘性土的滲透系數(shù)。由于粘性土的滲透水量很少，用常水頭試驗(yàn)不易準(zhǔn)確測(cè)定。影響滲透系數(shù)的因素

(1)土的粒度成分(粒徑大小與級(jí)配)和礦物成分的影響；

(2)土的結(jié)構(gòu)；

(3)土中氣體的影響；

（4）滲透水的性質(zhì)對(duì)滲透系數(shù)的影響。

水的性質(zhì)對(duì)滲透系數(shù)k值的影響主要是由于粘滯度不同所引起。溫度高時(shí)，水的粘滯性降低，

k值變大：反之k值變小。常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t

室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土常水頭法滲流滲透性土具有被水、液體等透過(guò)的性質(zhì)水、液體等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)能量差土土顆粒土中水滲流滲透特性強(qiáng)度特性變形特性互相關(guān)聯(lián)互相影響土力學(xué)重要課題透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤(rùn)線滲流問(wèn)題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲透力？工程實(shí)例土的滲透性研究滲流量滲透破壞滲流控制三個(gè)問(wèn)題工程應(yīng)用的需要透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流：滲流問(wèn)題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？工程實(shí)例滲流問(wèn)題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流：漏斗狀潛水面QABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動(dòng)，應(yīng)滿足液體流動(dòng)的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程一、滲流中的水頭與水力坡降

總水頭（伯努利定理）：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量

位置水頭Z：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭p/

w：水體的壓力勢(shì)能（p孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流≈0）

滲流的總水頭：也稱測(cè)管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處ABLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線A點(diǎn)總水頭：水力梯度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)間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力梯度i：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失LAh1h2QQ透水石h二、滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流或1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果:試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

h1，A，L=const量測(cè)變量:

h2，V，t達(dá)西定律2.達(dá)西定律滲透定律: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)。注意：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vr：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>Arq＝VA＝VrArk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day三、滲透系數(shù)的測(cè)定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測(cè)定方法野外試驗(yàn)測(cè)定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法—常水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理：試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測(cè)變量:滲水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=ki適用土類：透水性較大的砂性土hL土樣AQ常水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)條件已知測(cè)定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗(yàn)后，取均值a，A，LΔh，t

室內(nèi)試驗(yàn)方法小結(jié)不同時(shí)段試驗(yàn)，取均值適用粗粒土粘性土滲透破壞Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力j：滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致一、滲透力（動(dòng)水力）試驗(yàn)觀察滲透力-試驗(yàn)觀察h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力j：體積力滲透力j：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力Gw

=vv

w+vs

w

＝V

w=LAw

wP1

=

whwAwP2

=

wh1AwP1

+Gw+

T

=P2J=T=

wh/L=

wi

水柱整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab

GwT

whwAw+LA

w

w+TLAw=

wh1Aw

T

=TLAw滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時(shí)的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開(kāi)始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力坡降：滲透力-受力分析滲透力-受力分析

wi≥

臨界水力坡降icr=

h/L=

/

w由于icr取決于土的物理性質(zhì)h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力的性質(zhì)物理意義：?jiǎn)挝煌馏w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(duì)象：土骨架土工建筑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。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見(jiàn)類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式滲透變形-流土流土：在向上的滲透力作用下，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(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流

原因：與土的密實(shí)度有關(guān)壩體滲透變形–管涌

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

管涌：在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流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(dòng)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，造成土體塌陷流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)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(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口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)：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無(wú)粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土。土是否會(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別

幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑

幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別

滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)。