土力學(xué)：土的滲透性及滲流

1土的滲透性及滲流基本要求：掌握土的層流滲透定律及滲透性指標(biāo)；熟悉滲透性指標(biāo)的測(cè)試方法及影響因素，滲流時(shí)滲水量的計(jì)算，滲透破壞與滲流控制問(wèn)題；了解二維滲流及流網(wǎng)的概念和應(yīng)用。2024/10/182本章內(nèi)容3.1概述3.2土的滲透性3.3土中二維滲流及流網(wǎng)3.4滲透破壞與控制2024/10/1833.1概述1、滲透、土的滲透性（透水性）、滲流土在水頭差的作用下具有滲透性。2、滲流問(wèn)題（1）滲流量問(wèn)題；（2）滲透變形或破壞問(wèn)題；（3）滲流控制問(wèn)題。2024/10/1843.2土的滲透性3.2.1滲流基本概念水在土中的滲流是由水頭差或水力梯度引起。根據(jù)伯努利定理，水頭（總能頭）為：水力梯度為：2024/10/1853.2.2土的層流滲流定律1、達(dá)西定律試驗(yàn)表明，水通過(guò)均勻的砂時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的出水量即流量為：設(shè)水流的平均流速，則單位時(shí)間內(nèi)的出水量：因此：

（達(dá)西定律）關(guān)于及：主要受土性影響，實(shí)際流速

2024/10/1862、適用范圍－層流對(duì)于粗細(xì)粒度不同的土，水在土中滲透時(shí)的規(guī)律不同。關(guān)于粘性土中存在起始水力梯度的說(shuō)明：2024/10/1871、室內(nèi)試驗(yàn)3.2.2滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)常水頭試驗(yàn)用于粗粒土。變水頭試驗(yàn)用于細(xì)粒土。常水頭法：

推導(dǎo)：已知、、、、，求試樣的2024/10/188變水頭法：

推導(dǎo)：已知玻璃細(xì)管的截面積為，從到時(shí)刻滲流水頭從降為，試樣的面積為，長(zhǎng)度為，求試樣的值2024/10/1892、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)測(cè)定綜合滲透系數(shù)，費(fèi)用較高，費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，結(jié)果可靠。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置一個(gè)抽水井（直徑15cm以上）和兩個(gè)以上的觀測(cè)井。邊抽水邊觀察水位情況，當(dāng)單位時(shí)間從抽水井中抽出的水量穩(wěn)定，并且抽水井及觀測(cè)井中的水位穩(wěn)定之后，測(cè)定抽水井和觀測(cè)井的水位。2024/10/1810（1）粒度成分（粒徑和級(jí)配）；

（2）密實(shí)度或孔隙比；（3）飽和度；

（4）結(jié)構(gòu)（5）溫度

（6）構(gòu)造★3、滲透系數(shù)的影響因素由土的粒徑或孔隙比經(jīng)驗(yàn)地確定。4、滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)確定方法松砂密實(shí)砂土粘性土2024/10/18115、成層土的滲透系數(shù)（1）水平滲流研究斷面的單寬流量為各層土單寬流量之和，即各層土的水頭損失相同，水力坡降也相同，即各層土的單位寬度上的流量為研究斷面的單寬流量用等效滲透系數(shù)表示為因此2024/10/1812單位面積上的各層土的流量相等，即總水頭差為：（2）垂直滲流用等效滲透系數(shù)表示因此：

由控制，由控制。2024/10/18133.3土中二維滲流及流網(wǎng)3.3.1二維滲流方程1、基本假設(shè)2、滲流方程（此即著名的拉普拉斯方程。在一定的邊界條件下，可以求解出水頭場(chǎng)。）取滲流單元體。根據(jù)假設(shè)和流量連續(xù)即單元體流入水量=流出水量，推導(dǎo)方程。（1）飽和土體；（2）土顆粒和水不可壓縮；（3）土骨架不變形。2024/10/18143.3.2流網(wǎng)特征及繪制1、流網(wǎng)的特征2、流網(wǎng)的繪制等勢(shì)線表示測(cè)壓管水頭齊平的線，流線表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線。（1）等勢(shì)線與流線正交；（2）流線與等勢(shì)線構(gòu)成的各網(wǎng)格長(zhǎng)寬比為常數(shù)，通常；（3）相鄰等勢(shì)線之間的水頭損失相等；（4）各流槽的滲流量相等。即正交、等比、等水位差、等流量。流線越密，流速越大；勢(shì)線越密，水力坡降越大。找出特殊的流線和等勢(shì)線，根據(jù)正交性調(diào)整網(wǎng)格。現(xiàn)以基坑開(kāi)挖中的隔水板樁為例加以說(shuō)明。2024/10/18153、滲流量的計(jì)算總水頭損失等勢(shì)線條數(shù)減1每個(gè)流槽的滲流量：若b/L構(gòu)成1，總滲流量為：流槽的數(shù)量，等于流線數(shù)減1勢(shì)線間水頭損失：2024/10/18163.4滲透破壞與控制3.4.1滲流力滲透力是滲透水流作用于單位體積土骨架上的力，用表示。取滲透試驗(yàn)中的假想水柱為隔離體進(jìn)行受力分析：（1）水柱重力，為水重力與土粒浮力反力之和（2）水柱上、下兩端的總水壓力和（3）土粒對(duì)水的阻力，與水對(duì)土粒的滲流力大小相等，方向相反2024/10/1817根據(jù)水柱隔離體的靜力平衡條件：根據(jù)，并整理后得：因此，滲流力（動(dòng)水力）為：滲透力具有如下性質(zhì)：（1）體積力（）；（2）方向與水流向一致；（3）對(duì)于土來(lái)說(shuō)是內(nèi)力，對(duì)于土骨架來(lái)說(shuō)是外力。2024/10/18183.4.2流砂或流土在滲透力的作用下，滲流土體可能發(fā)生破壞，即滲透變形。在級(jí)配均勻的飽和細(xì)砂、粉砂及粉土中，易發(fā)生流砂或流土現(xiàn)象。臨界水力梯度流土發(fā)生在滲流逸出處，從該處取單位體積土骨架，其上作用力有：臨界狀態(tài)時(shí)：（1）浮重度：

（2）滲透力

防治：（1）減小水頭差——（2）增長(zhǎng)滲徑——（3）壓重——（4）加固——或2024/10/18193.4.3管涌和潛蝕對(duì)于不均勻的土，滲透力作用下則可能發(fā)生管涌或潛蝕現(xiàn)象。管涌是土中的細(xì)粒在粗粒形成的孔隙中移動(dòng)乃至流失的現(xiàn)象，它是一種漸進(jìn)性質(zhì)的破壞：隨著孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較大的顆粒也被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的管道，造成土體下沉、開(kāi)裂或坍塌。潛蝕是土中的易溶鹽或細(xì)顆粒被帶走，土結(jié)構(gòu)受破壞。防治措施：（1）改變水力條件，降低水力梯度；（2）改變幾何條件，滲出部位鋪設(shè)反濾層。產(chǎn)生條件：（1）幾何條件：，細(xì)粒含量一般小于25%；（2）水力條件：滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒流滾動(dòng)或移動(dòng)。2024/10/1820補(bǔ)充例題2m3m抽水解：當(dāng)抽水時(shí)的水力梯度等于臨界水力梯度時(shí)，管內(nèi)將產(chǎn)生流砂。某河流水深2m，河床土層為細(xì)砂，其，抽水管插入土層3m，管內(nèi)進(jìn)行抽水，試問(wèn)管內(nèi)水位降低幾米會(huì)引起流砂？2024/