第四章土的物理性质及渗透性4-5节.

土力学达西定律4.2土的渗透性4.1渗透系数的测定及影响因素4.3第四节土的渗透性土力学4.1土的渗透性概念在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能量高）的位置向水位低（即能量低）的位置流动。渗透:液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过的性质渗流：液体（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透水性介质（如水工建筑物）中的流动问题渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力土力学4.1土的渗透性概念土的渗透性的主要研究内容包括：渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。渗透破坏问题：当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满足渗流量或渗透变形的设计要求。水在土体中的渗流的影响：引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影响工程安全。土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土力学降雨入渗引起的滑坡事故实例土力学4.1土的渗透性概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。水头zpgvhw22式中：h—总水头，m；v—流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；p—水压，kPa；γw—水的重度，kN/m3；z—基准面高程，m水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则水头zphw土力学ΔhwBγPBhwAγPAZAhL速度，v4.1土的渗透性概念ABBZ)()(BwBAwABAZPZPhhhA、B两点的水头差为：水力梯度i：在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。Lhi在大多数情况下，土中水的渗流基本处于层流状态，即iv土力学kAiqkiAqv或4.2达西定律层流：水在土的孔隙中是不规则运动的，但水在其中的流速很小，可视为层流式中：q—单位渗水量，cm3/s；v—断面平均渗流速度，cm/s；i—水力梯度或水力坡降；k—土的渗透系数，cm/s达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间服从线性渗流规律Δh1h2LhAq达西根据实验发现，单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比，且与土的透水性质有关写成等式（达西定律表达式）土力学kiv达西定律砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土)(biikv0iv密实粘土4.2达西定律土力学4.2达西定律公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积Ar是小于整个断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为假想平均流速。v与vr的关系可通过水流连续原理建立如下：rrAvvAq若均质砂土的孔隙率为n,则Ar=nA,即得nvnAvAvr以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速土力学4.3.1渗透系数的测定渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。测定方法有：室内和现场1.室内渗透试验测定渗透系数AtLhkkiAtqtQ时间t内流出的水量hAtQLk（1）常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。Δ土力学（2）变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量（式中a表示细玻璃管的内截面积）dQ=－adh在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt2112lnhhttAaLk＝2112lg3.2hhttAaLk＝适用于透水性差，渗透系数小的粘性土分离变量积分4.3.1渗透系数的测定土力学4.3.1渗透系数的测定2.现场测定渗透系数常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确观测孔r2rr1drdhh1hh2Qr处过水断面积为A=2πrh,假设该处水力梯度i为常数，且等于地下水位在该处的坡度时，则i=dh/drq=kAi=2πrhkdh/drqdr/r=2πkhdh分离变量积分212212)/ln(hhrrqk＝212212)/lg(3.2hhrrqk＝现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等土力学4.3.2渗透系数的影响因素影响渗透系数的主要因素（1）土的粒度成分细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。（2）土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。（3）土的饱和度土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。土力学4.3.2渗透系数的影响因素影响渗透系数的主要因素（5）水的温度（4）土的结构细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变，k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。（6）土的构造土的构造因素对k值的影响也很大。如，在粘性土层中有很薄的砂土夹层的层理构造，会使土在水平方向的kh值比垂直方向的kv值大许多倍。因此室内渗透试验采用土样的代表性很重要。土力学渗流的工程问题5.2动水压力与临界水力梯度5.1第五节渗透的工程问题土力学5.1.1动水压力的概念动水压力：当地下水渗流时，对土颗粒骨架产生的压力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h土粒对水流的阻力应为hAFw土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反hAFJw渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3土力学5.1.2临界水力梯度使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr则，渗流力γwi等于土的浮重度γ’临界水力梯度：)1)(1(11'ndedisswcr研究表明：土的不均匀系数越大，icr值越小；土中细颗粒含量高，icr增大；土的渗透系数愈大，临界水力梯度愈低。在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。说明：流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小，同时与土的颗粒级配、密度及透水性等条件有关土力学5.2渗流的工程问题概述渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。土力学渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的浮重度，土粒将被水流冲出abc5.2.1流砂或流土现象土力学5.2.1流砂或流土现象流砂现象的防治原则（１）减小或消除水头差采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位土力学5.2.1流砂或流土现象流砂现象的防治原则（２）增长渗流路径沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩（３）平衡渗流力在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力透水材料（４）土层加固处理。如冻结法、注浆法等。土力学5.2.2管涌和潜蚀现象在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。在自然界中这种现象叫潜蚀（分为机械潜蚀和化学潜蚀）。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏坝体渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷土力学土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别土力学较均匀土（Cu10）•几何条件•水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d0=0.25d20细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d0d3d0d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径土力学管涌现象的防治（１）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。（同流土）5.2.2管涌和潜蚀现象（２）改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层土力学流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口