土力學(xué)土的滲透性和滲流

土力學(xué)課件土的滲透性和滲流第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二土的滲透性及滲流土的滲透性與土的強(qiáng)度、變形特性一起，是土力學(xué)中的幾個重要課題土的滲透性研究的三個主要方面問題及其與工程的關(guān)系研究土的滲透性規(guī)律及其與工程的關(guān)系具有重要意義，土的滲透性是反映土的孔隙性規(guī)律基本內(nèi)容之一詳細(xì)介紹土的滲透性及滲流規(guī)律、土中二維滲流及流網(wǎng)、再介紹滲透破壞及滲流控制第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二本章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)的測定方法及影響因素，滲流時滲水量的計算，滲透破壞與滲流控制問題；了解土中二維滲流及流網(wǎng)的概念和應(yīng)用第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二第3章

土的滲透性及滲流土的滲透性、滲透系數(shù)土中二維滲流及流網(wǎng)滲透破壞與控制主要內(nèi)容第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二第3章

土的滲透性及滲流達(dá)西定律滲透系數(shù)及其確定方法熟悉流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲流工程問題與處理措施重點掌握內(nèi)容第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.1概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二相互關(guān)聯(lián)相互影響

滲透在水位（頭）差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象

滲透性土體具有被液體透過的性質(zhì)

土的強(qiáng)度土的變形土的滲流滲透性研究的三個方面滲流量問題

滲透破壞問題

滲流控制問題第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二滲流模型基本假定：不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；圖3-1滲流模型

認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為流體所充滿。第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二圖3-1滲流模型

相同體積內(nèi)，滲流模型所受阻力與真實滲流相等。同一過水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真實滲流的流量；任一斷面上，滲流模型壓力與真實滲流壓力分布相同；第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二1.滲流速度斷面面積為A，通過的滲透流流量為q，則平均流速為：v=q/A真實滲流僅發(fā)生在孔隙面積A內(nèi)，因此真實流速為：v0=q/A于是

v/v0=A/A=n

“模型的平均流速要小于真實流速”第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2.2.1土的滲透定律——達(dá)西定律水頭的概念z為位置水頭，是相對于基準(zhǔn)面的高差。p為壓力，也有用u基準(zhǔn)面可以任意選定基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面2.2土的滲透性總水頭測壓管水頭第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二3.水頭差(A點與B點)

第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二水力梯度:單位流程總水頭的變化4.水力坡降

第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；注意：最關(guān)心的不是水頭而是水頭差；水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動。第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.2土的滲透性(達(dá)西定律)3.2.2土的層流滲透定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

1、達(dá)西定律i=h/L第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二

k滲透系數(shù)cm/s砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

v=kiivO砂土

v=ki

q=kAik是反映土體透水能力大小的綜合性指標(biāo)k越大土的透水能力越強(qiáng)

i=h/L滲透定律第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系i

b起始水力坡降虛直線簡化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流0iv密實粘土V=k(i-ib)第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二討論

砂土、粘性土：小水流為層流，滲透規(guī)律符合達(dá)西定律，-i為線性關(guān)系粗粒土：i小、

大水流為層流，滲透規(guī)律符合達(dá)西定律，-i為線性關(guān)系

i大、

大水流為紊流，滲透規(guī)律不符合達(dá)西定律，-i為非線性關(guān)系

第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.2.3滲透試驗與滲透系數(shù)1、滲透試驗（室內(nèi)）時間t內(nèi)流出的水量常水頭試驗—整個試驗過程中水頭保持不變

適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

Q=qtk=QL/Aht第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化

截面面積a任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量dQ=－adh

在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量

積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土

第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二抽水試驗2.2土的滲透性2.2.2滲透試驗2.2.2.2現(xiàn)場試驗方法第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二抽水試驗r1和r2為觀測孔與抽水井之間的距離，h1和h2為觀測孔的水位高度。水力坡降：距井中心為r處水流經(jīng)過的面積為代入達(dá)西定律：出水q為正，基準(zhǔn)面在底面2.2土的滲透性2.2.2滲透試驗2.2.2.2現(xiàn)場試驗方法第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二抽水試驗——潛水井公式2.2土的滲透性2.2.2滲透試驗2.2.2.2現(xiàn)場試驗方法或第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二3、影響滲透系數(shù)的主要因素(1)土的粒度成分

土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，滲透系數(shù)愈大細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，(2)土的密實度

土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小土愈密實滲透系數(shù)愈小第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二

土的飽和度愈低，滲透系數(shù)愈小

(4)土的結(jié)構(gòu)

擾動土樣與擊實土樣，土的滲透性比同一密度原狀土樣的小

(3)土的飽和度第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二

(5)水的溫度(水的動力粘滯系數(shù))水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小土的滲透系數(shù)則愈大

(6)土的構(gòu)造

水平方向的h>垂直方向vT、20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù)，可查表

第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二4、滲透系數(shù)k的經(jīng)驗確定方法潔凈不含細(xì)粒土的松砂k=1.0-1.5(d10)2黏性土k=C3(en/1+e)較密實、擊實砂土k=0.35(d15)2第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二（1）與層面平行的滲流的情況(水平滲透系數(shù))H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和

5、成層土的等效滲透系數(shù)第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx達(dá)西定律整個土層與層面平行的滲透系數(shù)

平均滲透系數(shù)第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二(2)垂直滲透系數(shù)

H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二H1H2H3k1k2k3H垂直滲透系數(shù)q3yq2yq1yqy整個土層與層面垂直的滲透系數(shù)

=

n

Hi=1

Kiy

Hi第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二Kx近似由最不透水(最小)的一層滲透系數(shù)和厚度控制由最透水(最大)的一層滲透系數(shù)和厚度控制=

HKiy

n

i=1

Ky近似水平向Kx>垂直向Ky成層土:

Hi第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二四、例題分析例

設(shè)做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為160cm，經(jīng)時段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)解已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時的滲透系數(shù)

第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.3土中二維滲流及流網(wǎng)

3.3.1二維滲流方程2h拉普拉斯方程(平面穩(wěn)定滲流的基本方程式)x22hz2+=0第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二a′不透水層abb′ssc

HEz1h1zE第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二1.流網(wǎng)的特征等勢線滲流場中勢能或水頭的等值線流網(wǎng)流線水質(zhì)點的流動路線流線等勢線組成的曲線正交網(wǎng)格第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二流線與等勢線互相正交流網(wǎng)的特征:流線與等勢線構(gòu)成的各個網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)1各個流槽的滲流量相等相鄰等勢線之間的水頭損失相等第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.4滲透破壞與控制3.4.1滲流(透)力滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力水阻力

滲透力

土拖曳力二者大小相等方向相反

第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二滲流力土樣的截面積為A，進(jìn)、出水口測壓管差為h，表示水流過厚度為l的土樣，必須克服土樣內(nèi)土粒對水流阻力：

F=γwhA作用于土樣的總滲流力J應(yīng)和土體中土粒對水流的阻力F相等：

J=F=γwhA

滲流作用于單位土體的力(即滲流力)為：第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.3滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應(yīng)為

土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二結(jié)論：

滲透力是水流對單位體積土體顆粒的作用力；是一種體積力滲透力的大小與水力坡降成正比，方向與滲流方向一致。第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二滲流力

滲流力是一種體積力單位為kN/m3

J=i

作用方向：與滲流方向一致（流線方向）

大小與水力梯度成正比第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二臨界水力梯度———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力梯度

GJ當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力梯度即為臨界水力梯度或

在工程計算中，將土的臨界水力梯度除以安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力梯度[i]。設(shè)計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力梯度控制在允許梯度[i]內(nèi)受到水的浮力作用為浮重度′第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞

【解答】臨界水力坡降由于實際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二臨界水力坡降———與土性密切相關(guān)土Cu愈大，icr愈小滲透系數(shù)k愈大，icr愈低土中細(xì)粒含量愈高，icr增大第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二3.3.2土的滲透變形和防治措施流土現(xiàn)象:當(dāng)土顆粒間的接觸壓力為零，土顆粒處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。

向上滲流第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二管涌現(xiàn)象:土中的一些細(xì)小顆粒在滲透力作用下，通過粗顆粒的孔隙被水流帶走。圖3-12流土示意圖第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二比較和區(qū)別:流砂現(xiàn)象發(fā)生在土體表面滲流逸出處,不發(fā)生于土體內(nèi)部管涌可以發(fā)生在滲流逸出處，也可能發(fā)生在土體內(nèi)部第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二3.4.2滲透變形

滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

1.流土——在滲流作用下，粒間力有效應(yīng)力為零時,或某一范圍內(nèi)土顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。一般是突發(fā)性的破壞

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(nèi)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(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2.管涌——在滲流作用下，土中的細(xì)小顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，隨著土孔隙不斷擴(kuò)大，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象，滲透速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷。土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)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(nèi)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(jìn)性的破壞

第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二潛蝕作用：易發(fā)生流砂的土飽和的顆粒級配均勻細(xì)砂粉砂粉土層機(jī)械潛蝕—流動的機(jī)械力將細(xì)土粒帶走而形成洞穴潛蝕作用—水流溶解了土中易溶鹽，膠結(jié)物使土變松散，土體被軟化、弱化，細(xì)土粒被水沖走，形成洞穴3.流土判別第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二上海地區(qū)易發(fā)生流砂的土層特征粘粒含量小于10%土的不均勻系數(shù)Cu<5粉粒、砂粒含量大于75%土的含水量大于30%粘土夾有砂層，其厚度大于25cm土的孔隙率大于43%（e大于0.75）第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二i實際≥icr發(fā)生流砂國外資料

e>0.75-0.8

有效粒徑d10<0.1mmCu<5細(xì)砂

易發(fā)生流砂

第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二4.管涌的判別無粘性土產(chǎn)生管涌必須具備兩個條件發(fā)生管涌土的特征顆粒大小差別大缺失某中間粒徑細(xì)砂孔隙直徑大且相互連通幾何條件水力條件第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二碎石鋪蓋黏土心墻碎石砂粒上游填土下游填石塊上堵下疏第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)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(dāng)孔隙中細(xì)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(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細(xì)粒含量約為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)象第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二三、例題分析例

某土壩地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞

解臨界水力坡降由于實際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二§3.5滲流工程問題與處理措施

滲流工程問題1.地下水的浮托作用

地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力2.地下水的潛蝕作用

在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層中

3.流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)

第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二4.基