第二章 土的滲透性及滲流

第二章土的滲透性及滲流第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月重點及難點：第二章土的滲透性及滲流土體滲透的基本概念；達西定律；滲流系數(shù)測定；影響滲流的因素；流土和管涌現(xiàn)象。第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透特性強度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性第一節(jié)概述一、滲透的基本概念碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動能量差第二章土的滲透性及滲流水在土體孔隙中透過的現(xiàn)象滲透性土體具有被液體透過的性質(zhì)滲透滲流液體在土空隙或其它透水性介質(zhì)中的流動第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲透力土中的滲流對土顆粒施加上的作用力滲流量滲透變形當(dāng)滲流力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞透水層不透水層基坑板樁墻二、滲透現(xiàn)象和問題2.1板樁圍護下的基坑滲流第一節(jié)概述第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層2.2土石壩壩身及壩基中的滲流土壩蓄水后水透過壩身流向下游第一節(jié)概述第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲流量透水層不透水層天然水面2.3水井滲流漏斗狀潛水面第一節(jié)概述第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月滲流量原地下水位滲流時地下水位2.4渠道滲流第一節(jié)概述第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5滲流滑坡滲流造成變形第一節(jié)概述第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月ABL透水層不透水層基坑板樁墻第二節(jié)土的滲透性一、滲流的基本概念1.1滲流中的水頭差和水力梯度水在土中的滲流就是由于水頭差引起的第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面水力梯度線總水頭－單位質(zhì)量水體所具有的能量（m）z：基準(zhǔn)面高程V2/(m/s)：流速水頭≈0A點總水頭：B點總水頭：總水頭：水力梯度：1.1滲流中的水頭差和水力梯度P：水壓（kPa）γw：水的重度（kN/m3)第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、滲透試驗與達西定律試驗前提：層流Δh↑，q↑A↑，q↑L↑，q↓斷面平均流速水力坡降2.1滲透試驗試驗結(jié)果試驗裝置：如圖試驗條件:

h1，A，L量測變量:

h2，V，tΔh=h1-h2q=Q/t（單位時間滲出水量）概念：達西定律指層流條件下，反應(yīng)土中水滲流速度與能量（水頭）損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2達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：AAvV：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vr：實際平均滲流速度，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：水力梯度i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day2.滲透試驗與達西定律第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月①土中水的滲流處于層流狀態(tài)vioib④密實粘土：i>ib,v=k(i-ib)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)與水力梯度的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關(guān)系。Ib為開始發(fā)生滲透時的水力梯度，即初始水力梯度2.滲透試驗與達西定律2.3達西定律適用范圍③礫石類土中的滲流不符合達西定律ivovct②適于大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土，滲流速度與水力梯度呈線性關(guān)系vio第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月室內(nèi)試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗二、土的滲透性2.4滲透系數(shù)K的測定2.滲透試驗與達西定律第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月室內(nèi)試驗方法1—常水頭試驗法結(jié)果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L量測變量:

Q，ti=Δh/Lq=Q/t=kAiv=ki適用土類：透水性較大的砂性土2.4滲透系數(shù)K的測定2.滲透試驗與達西定律第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月室內(nèi)試驗方法2—變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh變化，A，L量測變量:

Δh

，t變水頭法僅適用于：透水性較小的粘性土2.4滲透系數(shù)K的測定2.滲透試驗與達西定律第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月tt+Δt室內(nèi)試驗方法2—變水頭試驗法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時刻：ΔhΔtdhdQ=-adhdQ=kiAdt=k(Δh/L)Adt流入量=流出量流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組h1,h2,t，計算相應(yīng)的k，取平均值2.4滲透系數(shù)K的測定h1hh2第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值Δh不變Δh變化Δh，A，LQ，t重復(fù)試驗后，取均值a，A，Lh1h2，t室內(nèi)試驗方法不同時段試驗，取均值適用透水性較大的砂性土透水性較小的粘性土2.4滲透系數(shù)K的測定2.滲透試驗與達西定律二、土的滲透性第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

野外測定方法－抽水試驗和注水試驗法優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)地下水位≈測壓管水面井抽水量qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點：費用較高，耗時較長實驗方法：理論依據(jù)：2.4滲透系數(shù)K的測定第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3.影響滲透系數(shù)的因素①.土粒大小與級配

一般土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，K值就越大，但粗粒中含有細粒時，隨細粒含量增加，K值急劇下降，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。②.土的密實度

同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小，即K值減小。③.土的飽和度

一般情況下，土的飽和度越低，K值愈小。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤.水的溫度

④.土的結(jié)構(gòu)：細粒在天然狀態(tài)下具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一旦受擾動，原有的過水通道的形狀及其分布就會發(fā)生改變，因而K值就不同。擾動土樣與擊實土樣的K值通常比同一密度的原狀土的K值要小。

動力黏滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。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。

T、

20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數(shù)，可查表；K20和KT為T℃和20℃時土的滲透系數(shù)3.影響滲透系數(shù)的因素⑥.土的構(gòu)造：若在黏性土層中有很薄的砂土夾層的層理結(jié)構(gòu)，會使土在水平方向上的K值比垂直方向的K值大許多倍。第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm4.成層土的平均滲透系數(shù)第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月H1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲流:v承壓水條件:等效滲透系數(shù):4.成層土的平均滲透系數(shù)第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月算例

按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制4.成層土的平均滲透系數(shù)第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、滲透破壞與控制滲透破壞由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形失穩(wěn)，如流砂和管涌由于滲流的作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導(dǎo)致土體或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如岸坡滑動或擋土墻整體失穩(wěn)第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1滲流力：單位體積土顆粒受到滲流作用力稱為滲流力試驗觀察Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>0水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。滲透力J——滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab三、滲透破壞與控制滲透破壞試驗示意第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab②水柱上下兩端面的邊界水壓力，γwhw和γwh1①水柱重力1.滲流力GwJ’水柱③設(shè)單位土體內(nèi)滲流力和土粒對水流阻力為J和T（J=T作用與反作用力），則總阻力T’=TLAw，方向豎直向下。由平衡條件：滲流力為一種體積力，單位與γw相同，大小與水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流土—在向上滲流力作用下，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流土或流砂，表現(xiàn)為局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生移動

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。細砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞三、滲透破壞與控制第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2.流土—在向上滲流力作用下，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流土或流砂，表現(xiàn)為局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生移動

三、滲透破壞與控制流土發(fā)生的臨界狀態(tài)：流土發(fā)生臨界狀態(tài)的水力梯度：工程中利用容許水力梯度設(shè)計滲流逸出處水力梯度：第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3.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，出現(xiàn)塌陷、潰口等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管道，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，是一種漸進性的破壞。一般不均系數(shù)Cu大于10才會發(fā)生管涌。第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)

流土：①存在使流砂現(xiàn)象發(fā)生的臨界水力梯度ic，當(dāng)i<ic土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)i>ic，土體發(fā)生流土破壞；當(dāng)i=ic土體處于臨界狀態(tài)；②土不均勻系數(shù)越大，ic越小，土中細顆粒含量高，ic增大；土的滲透系數(shù)愈大，ic越小。管涌：①一般Cu＞10的土體才會發(fā)生管涌；②管涌多發(fā)生于砂性土中；③土中粗顆粒所構(gòu)成的空隙直徑必須大于細顆粒；④滲流力能夠帶動細顆粒在空隙間滾動或是移動是發(fā)生管涌的水力條件；⑤如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細粒含量約為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32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月流土與管涌的比較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(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口三、滲透破壞與控制第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、滲透破壞與控制5.防滲措施5.1防治流土①減小或消除水頭差，如采用基坑外的井點降水法；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(jié)法、注漿法。5.2防治管涌①改變水利條件，降低水力梯度，如打板樁；②改變幾何條件，在滲流溢出部位鋪設(shè)反慮層是防治管涌破壞的有效措施第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形

①垂直截滲

主要目的:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲