第4章土的渗透性及渗透稳定

第4章土的渗透性及渗透稳定Chapter4Permeabilityandseepagestabilityofsoil4.1概述Section1Introduction1.土的渗透性（Permeabilityofsoils）土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性2.渗流引起的问题(Problemsinducedbyseepage)（1）渗漏(Leakage)（2）渗透破坏(Seepagefailure)（3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工Impactconsolidation,strength,stabilityofsoilsandprojectconstruction透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流Q板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例•渗流量•扬压力•渗水压力•渗透破坏•渗流速度•渗水面位置•挡水建筑物•集水建筑物•引水结构物•基础工程•地下工程•边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性4.2土的渗透性Section2Permeabilityofsoils4.2.1水头与水力梯度Waterheadandhydraulicgradient1.水头及其类型（Waterheadanditstypes）(1)位置水头Elevationheadz(2)压力水头Pressurehead(3)流速水头velocityhead(4)总水头Totalheadgvuzhw22(4-1)wugv222.水力梯度（Hydraulicgradient）4.2.2达西定律Darcy'slaw1.达西定律的内容砂土中的渗透流量Q与水头差(h1-h2)成正比，与渗径L成反比(4-5)Lhi图4-2达西砂土试验装置ALhhkQ21(4-6,a)LAh1h2QQ透水石引入水力坡降，则上式可改写为：Q=kiA上式还可写为：式中，k称为土的渗透系数(Coefficientofpermeability)(cm/s)。(4-7)(4-6,b)kiAQv2.达西定律的适用范围(Applicablescope)（1）粗粒土——小于临界流速(Criticalvelocity)Vcr（图4-3）（2）密实粘土——大于起始水力坡降(Incepthydraulicgradient)ib（图4-4）达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：00.51.01.52.02.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)h10dvReRe＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区4.2.3土的渗透系数及其测定Permeabilitycoefficientofsoilsanditsmeasurement1.渗透系数的物理意义(Physicalmeaning)2.坝基土层渗透性分类（1）强透水层(Strongpermeablelayer)(k10-1~10-2cm/s)（2）中等透水层(k＝10-2~10-4cm/s)Moderatepermeablelayer（3）相对不透水层(k10-4~10-7cm/s)Relativeimpermeablelayer3.室内渗透试验(Permeabilitytestindoor)（1）常水头—粗粒土Constantheadpermeabilitytestforcoarse-grainedsoilAhtQLk(4-9)土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahL土样AVQ变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪（2）变水头——细粒土Fallingheadpermeabilitytestforfine-grainedsoil两边积分，得adhdQAdtLhkdQhdhkAaLkAhLdQdt)ln(ln1212hhkAaLtt2112ln)(hhttAaLk2112lg)(3.2hhttAaLk(4-10)(4-11)室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土渗透系数的测定方法•常水头试验法•变水头试验法•井孔抽水试验•井孔注水试验室内试验方法野外试验方法4.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。4.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井4.3渗流作用下的应力状态Section3Stressstateunderseepage4.3.1静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a))Effectivestressandporewaterpressureinstaticwater4.3.2稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力Effectivestressandporewaterpressureincaseofstableseepage1.向下渗流的情况(图4-8(b))Caseofseepagedownwards21hhsatw)(21hhuw22121)(hhhhhuwsatw由试样2—2截面的受力平衡(Staticequilibrium)得：(4-16)11huw)(122hLhhuwwAuuLAAAuWAuAsat)(2112(4-17)由有效应力原理得：2.向上渗流的情况（图4-5(c)）CaseofSeepageupwards由有效应力原理得：hLhLhLhLhhLhu)()(1121(4-17,a)hLhLhLhLhhLhu)()(1121(4-17,b)3.结论(Conclusions)（1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（2）有效应力状态与渗流作用的方向有关4.4.1渗透力(Seepageforce)1.总渗透力(Totalseepageforce)2.渗透力j3.有效应力状态的两种表示方法（1）试样的浮重度γ′与土骨架所受的渗透力j表示(4-18)(4-17,c)hAFJwiALhAVJjwwjVVALLhALAwLj)(4.4土的渗透稳定Section4Seepagestabilityofsoils渗透变形（Seepagefailure）（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)）4.4.2渗透破坏的形式(Typesofseepagefailure)1.流土(Heaving,Boiling)（图4-9(b)）2.管涌(Piping)（图4-9(a)）3.接触流失(Contactlose)4.接触冲刷(Contactscouring)图4-9渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流criie11Giscr原因：与土的密实度有关坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流过程演示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4.4.3渗透破坏的判别(Judgement)1.粘性土和均匀砂—流土Cohesivesoilanduniformsand2.级配不连续的砂砾石Discontinuouslygradedsandygravel（1）填料含量(Fillingcontent)25%——管涌（2）填料含量(Fillingcontent)35%——流土（3）填料含量(Fillingcontent)＝25％～35%——过渡型(Transitiontype)3.级配连续的砂砾石Continuouslygradedsandygravel（1）平均孔隙直径D0可流动填料直径d5——管涌MeanvoiddiameterFlowablefillingdiameterd5——Piping（2）平均孔隙直径D0可流动填料直径d3——流土（3）平均孔隙直径D0介于可流动填料直径d3～d5之间——过渡型4.4.4渗透破坏的临界坡降Criticalhydraulicgradientofseepagefailure1.流土(Boiling)(图4-10)当时，代入式（4-17，b）得wi0hhhLiALALiw208/1025.0dCDu(4-19)(4-20)粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experientialvalues)0.8～1.2允许抗渗坡降[i]:一般砂土=0.4~0.5；细粒含量大于35%砂砾料0.5～0.8Allowableseepageresistantgradient实际允许坡降较大，粘性土可达4～6wwsatscrwswcreGieGi1111(4-21,a)(4-21,b)（1）icr是Cu的函数（图4-11(a)）（2）icr决定于细粒填料的含量（图4-11(b)）砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。(4-23)kndicr233422.管涌(Piping)图4-11scrFiiiFs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降iicr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态iicr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗