土的滲透性及滲透力

1、13 土的滲透性及滲透力2目錄 3.1 土的滲透性及滲透定理 3.3 滲透力及滲透破壞 3.4 有效應力原理及計算 3.2 滲透系數(shù)的測定3 3.1 土的滲透性及滲透定理滲滲流流滑滑坡坡4層流：水在土的細微孔隙中的緩慢流動稱為層流。層流：水在土的細微孔隙中的緩慢流動稱為層流。5 層流狀態(tài)下土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律層流狀態(tài)下土中水的滲流速度與能量損失之間服從線性滲流規(guī)律達西定律（達西定律（1896年）年）kiLhkAqvkAiLhkAq 則滲透系數(shù)的物理意義滲透系數(shù)的物理意義單位水力梯度時孔隙流體的滲流速度。單位水力梯度時孔隙流體的滲流速度。反映土體滲透性的大小，是土的重要

2、指標之一?？赏ㄟ^試驗測定。反映土體滲透性的大小，是土的重要指標之一。可通過試驗測定。達西定律達西定律6（1）采用了以整個斷面計算的假想平均流速，而不是孔隙流體的實際流采用了以整個斷面計算的假想平均流速，而不是孔隙流體的實際流 速。速。實際流速要比平均流速大實際流速要比平均流速大。（2）采用了以采用了以土樣長度為滲徑土樣長度為滲徑的平均水力梯度，而不是滲透水流的真正的平均水力梯度，而不是滲透水流的真正 水力梯度。水力梯度。無粘性土無粘性土中砂、細砂、粉砂中砂、細砂、粉砂粘土粘土適用條件：適用條件：大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土疏松的粘土及砂性較重的粘性土起始水力

3、梯度達西定律的達西定律的基本假定基本假定：7 3.2 滲透系數(shù)的測定1.1.常水頭試驗常水頭試驗o適用范圍：透水性強的無粘性土適用范圍：透水性強的無粘性土 o試驗裝置：如圖示試驗裝置：如圖示o試驗特點：試驗特點： 水在常水頭差水在常水頭差h h的作用下流過試樣的作用下流過試樣 o試驗方法：試驗方法： 測量對應于某一時段測量對應于某一時段t t，流經(jīng)試樣的水量，流經(jīng)試樣的水量Q Qi=h/Li=h/LQ=vAtQ=vAtv=kiv=kiAhtQLk 81.1.變水頭試驗變水頭試驗o適用范圍：滲透性很小的粘性土。適用范圍：滲透性很小的粘性土。o試驗裝置：如圖示試驗裝置：如圖示o試驗特點：試驗特點：

4、 試樣頂部水頭隨時間變化，作用試樣頂部水頭隨時間變化，作用于試樣兩端的水頭差于試樣兩端的水頭差h h在試驗過程在試驗過程中是變化的。中是變化的。21lnhhAtaLk 自學推導過程9A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2 )(ln212212hhkrrq 212212)/ln(hhrrqk 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層（完整井）（完整井）觀察井觀察井10定義：定義：當土中發(fā)生向下或向上的滲流時，當土中發(fā)

5、生向下或向上的滲流時，滲透水流作用在土顆粒上的與滲流方向相滲透水流作用在土顆粒上的與滲流方向相同的同的體積力體積力，使土骨架應力相應地增加或，使土骨架應力相應地增加或減小，此體積力稱為減小，此體積力稱為滲流力滲流力，用，用J表示表示。滲流變形滲流變形滲流力滲流力 3.3 滲透力及滲透破壞3.3.1滲流力滲流力（動水力）（動水力）111. 1. 試驗裝置：可產(chǎn)生垂直滲試驗裝置：可產(chǎn)生垂直滲流的試驗裝置，如圖所示。流的試驗裝置，如圖所示。2. 2. 試驗假設試驗假設 土是均勻的，土中的滲流土是均勻的，土中的滲流不論向上還是向下，不論向上還是向下，土中土中的水頭損失沿滲流方向都的水頭損失沿滲流方向都

6、是均勻變化的，是均勻變化的，即假設滲即假設滲流引起的流引起的應力改變量沿滲應力改變量沿滲流方向是直線變化的流方向是直線變化的。 土的滲流試驗簡圖土的滲流試驗簡圖12單位滲流力單位滲流力：每單位土體內土顆粒所受的滲流作用力每單位土體內土顆粒所受的滲流作用力, , 用用j j表示，單位為表示，單位為kN/mkN/m3 3 當當h h1 1=h=h2 2時，無滲流發(fā)生時，無滲流發(fā)生當當h h1 1hh2 2時，向上滲流時，向上滲流當當h h1 1hh2 2時，向下滲流時，向下滲流zjziLzhLwwB)()()(ijw單位滲流力：飽和土體中滲流力計算飽和土體中滲流力計算133.3.2滲滲透破壞透破壞

7、土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞基本類型基本類型 流土流土管涌管涌形成條件形成條件 防治措施防治措施 14（1）流土（流砂）流土（流砂）在在向上向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動懸浮移動的現(xiàn)象的現(xiàn)象和和土土的的密密實實程程度度有有關關eGiscr 11 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩壩體體體體滲流滲流原因：原因：zj)(ijw或15形成條件形成條件 scrFiii F Fs s: : 安全系數(shù)安全系數(shù)2.02.02.52.5 i : i : 允許坡降允許坡降i ii ii

8、icrcr : :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)經(jīng)驗判斷：經(jīng)驗判斷：16（2）管涌）管涌在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒細小顆粒，通過較大顆粒，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管道。原因：原因：內因內因有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙成大于細粒直徑的孔隙外因外因滲流力足夠大滲流力足夠大 管涌管涌破壞17過渡型土管涌土非管涌土級配連續(xù)的土過渡型土細料含量管涌土細料含量非管涌土細料含

9、量級配不連續(xù)的土的不均勻土非管涌土的比較均勻的土 (b) 35%25 5%2 35% (a) 10 B. 10 .5305030ddDdDdDCCAuu無粘性土無粘性土 發(fā)生管涌的判別標準為（內因發(fā)生管涌的判別標準為（內因顆粒幾何條件）：顆粒幾何條件）：200250d.D 土的孔隙平均直徑d d2020小于該粒小于該粒徑的土質量占總徑的土質量占總質量的質量的20%20%18發(fā)生管涌的水力條件發(fā)生管涌的水力條件外因外因試驗測定方法：試驗測定方法：o 改變試樣底部的水頭高度。改變試樣底部的水頭高度。 o 現(xiàn)象現(xiàn)象: :試樣中細小土粒移動。試樣中細小土粒移動。o b b圖中：圖中： 從從C C點開始

10、，水力梯度稍有點開始，水力梯度稍有增加，滲流速度就會急劇加增加，滲流速度就會急劇加大，說明試樣中發(fā)生了管大，說明試樣中發(fā)生了管涌涌 。1920防治措施防治措施 scrFiiLhi增大增大ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 防防治治流流土土土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層減小減小i i ：上游延長滲徑上游延長滲徑 下游減小水壓下游減小水壓防防治治管管涌涌改善幾何條件：改善幾何條件：設反濾層等，設反濾層等，反濾層為級配較均勻的砂子和礫反濾層為級配較均勻的砂子和礫石層，能保護細顆粒不被帶走，石層，能保護細顆粒不被帶走，同時也具有較大的透水性同時也具

11、有較大的透水性改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降21流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體土體局部范圍的顆粒同時發(fā)局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動生移動管涌管涌只發(fā)生在水流只發(fā)生在水流滲出的表層滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)只要滲透力足夠大，可發(fā)生在生在任何土中任何土中破壞過程破壞過程短短導致下游坡面產(chǎn)生導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動局部滑動等等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷歷時時后果后果土體內土體內細顆粒通過細顆粒通過粗粒形成粗粒形成的的孔隙孔隙通道移動通道移動可發(fā)生于土體可發(fā)生于土體內部內部和滲流和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在一般發(fā)生在特定級配特定級配的的無粘性土或分散性粘土無粘

12、性土或分散性粘土破壞過程相對較破壞過程相對較長長導致結構發(fā)生導致結構發(fā)生塌陷或潰口塌陷或潰口22 3.4 有效應力原理及計算 o粒間應力粒間應力（interparticle stressinterparticle stress） 由土骨架顆粒間接觸點傳遞的應力。由土骨架顆粒間接觸點傳遞的應力。o有效應力有效應力（effective stresseffective stress） 對土體的變形和強度變化有效的粒間應力。對土體的變形和強度變化有效的粒間應力。o孔隙水壓力孔隙水壓力（pore water pressurepore water pressure） 由孔隙水傳遞的應力，它不能直接引起土體

13、的變形和強度變化，由孔隙水傳遞的應力，它不能直接引起土體的變形和強度變化，又稱為中性應力。它不隨時間而變化。又稱為中性應力。它不隨時間而變化。o超靜孔隙水壓力超靜孔隙水壓力（excess pore water pressureexcess pore water pressure） 由外荷載引起的超出靜水位以上的那部分孔隙水壓力。由外荷載引起的超出靜水位以上的那部分孔隙水壓力。3.4.1 3.4.1 有效應力的基本概念有效應力的基本概念233.4.2 3.4.2 有效應力原理有效應力原理A：Aw：As：土單元的斷面積土單元的斷面積顆粒接觸點的面積顆粒接觸點的面積孔隙水的斷面積孔隙水的斷面積有效應

14、力有效應力aaAa-aa-a斷面通過斷面通過土顆粒的接土顆粒的接觸點觸點u u：孔隙：孔隙水壓力水壓力a1AAw u wsvAuPA a-aa-a斷面斷面豎向力平衡豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv PSPSVPS1 1、飽和土中的應力形狀、飽和土中的應力形狀24u （1 1）飽和土體內任一平面上受到的總應力可分為兩部分）飽和土體內任一平面上受到的總應力可分為兩部分 和和u u，并且，并且（2 2）土的變形與強度都只取決于有效應力）土的變形與強度都只取決于有效應力 u 一般地，一般地，有效應力有效應力總應力已知或易知總應力已知或易知孔隙水壓測定或算定孔隙水壓測定或算定通常通常, ,u 2

15、 2、飽和土中的有效應力原理、飽和土中的有效應力原理253.4.3 3.4.3 穩(wěn)定滲流下的土中有效應力的計算穩(wěn)定滲流下的土中有效應力的計算1 1、靜水條件下、靜水條件下=-u-u = =H H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H2 2 = =H H1 1+(+(satsat- -w w)H)H2 2 = =H H1 1+ +HH2 2sat 地下水位地下水位2sat1HH 地下水位下降引起地下水位下降引起 增大的部分增大的部分H H1 1H H2 2=-u-uu=u=w wH H2 2u=u=w wH H2 2地下水位下降會引起地下水位下降會引起增大，土會產(chǎn)生壓縮，增大，土

16、會產(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面這是城市抽水引起地面沉降的一個主要原因。沉降的一個主要原因。26海洋土海洋土=-u-u = =w wH H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H = =satsatH H2 2- -w w(H-H(H-H1 1) ) =(=(satsat- -w w)H)H2 2 = =HH2 21HH2H2sat1wHH Hw w wH H1 1w wH H1 12H sat 27毛細飽和區(qū)毛細飽和區(qū) sat 毛細飽毛細飽和區(qū)和區(qū)HwhchthtsathH wwtsathhH wwh cwh cwhH 總應力總應力孔隙水壓力孔隙水壓力有效應力有效應力+ +-

17、-282 2、穩(wěn)定滲流條件下、穩(wěn)定滲流條件下（1 1）水自下而上滲流）水自下而上滲流hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(:面（當當h h2 2 h h1 1時，時，h h2 2 =h =h1 1 + h + h，即向上滲流，即向上滲流）29（2 2）水自上而下滲流）水自上而下滲流（當當h h2 2 h h1 1時，時，h h2 2 =h =h1 1 - - h h，即向，即向下下滲流滲流）hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(面：30o 結結 論論： 土中發(fā)生向上的滲流時，由于孔土中發(fā)生向上的滲流時，由于孔隙水向上滲流，并且作用在土顆隙水向上