1、土的滲透性與滲流土的滲透性與滲流第三章第三章基本要求：基本要求：1.1.掌握達西定律掌握達西定律2.2.掌握滲透力的概念與計算掌握滲透力的概念與計算3.3.掌握兩種滲透變形破壞的機理掌握兩種滲透變形破壞的機理3 3 土的水的滲透性土的水的滲透性碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動孔隙流體流動滲流滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性滲透性土具有被水、油等液體透過的性質(zhì)土具有被水、油等液體透過的性質(zhì)滲透特性滲透特性強度特性強度特性變形特性變形特性非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性飽和土的滲透性3.1概述概述能量差能量差3 3 土中水

2、的滲透性土中水的滲透性 滲流量滲流量滲透變形滲透變形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土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性 滲水壓力滲水壓力揚壓力揚壓力滲流量滲流量滲透變形滲透變形透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻板樁圍護下的基坑滲流板樁圍護下的基坑滲流3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性 滲流量滲流量透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性 滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡3.2 土的滲透性土的滲透性試驗前提：試驗前

3、提：層流層流h，Q A，Q L， QtLhAQ.斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降A(chǔ)qv Lhi iv 1.1.滲透試驗滲透試驗3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性試驗結(jié)果試驗結(jié)果試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h1，A，L=const量測變量量測變量: : h2，Q，th=h1-h2q=Q/t2.2. 達西定律達西定律ikv 達西定律達西定律3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性 在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。一一. . 達西定律達西定律iv

4、k: k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)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：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day2. 2. 達西定律達西定律3.2 3.2 土的滲透性土的滲透性粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達西定律礫石類土中的滲流不符合達西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 適用條件適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較大部分砂土，粉土；疏松的粘土

5、及砂性較重的粘性土重的粘性土 兩種特例兩種特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 二二 滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定室內(nèi)試驗測定方法室內(nèi)試驗測定方法野外試驗測定方法野外試驗測定方法3 3 土中水的滲透性土中水的滲透性 常水頭試驗法常水頭試驗法變水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔抽水試驗井孔注水試驗井孔注水試驗測定方法測定方法（一）（一） 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法11常水頭試驗法常水頭試驗法結(jié)果整理結(jié)果整理試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h，A，L=const量測變量量測變量: : Q，ti=h/LQ=qt=vAtv=k

6、ihtAQLk適用土類：適用土類：透水性較好的砂性土透水性較好的砂性土二、二、 土的滲透系數(shù)的測定土的滲透系數(shù)的測定二二 土的滲透系數(shù)的測定土的滲透系數(shù)的測定 二、室內(nèi)試驗方法二、室內(nèi)試驗方法22變水頭試驗法變水頭試驗法試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h變化變化，A，L=const量測變量量測變量: : h ，t透水性較小的粘性土透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土21圖 2 - 5 變 水 頭 滲 透 試 驗 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法22變水頭試驗法變水頭試驗法結(jié)果整理結(jié)果整理:理論依據(jù)理論依據(jù): :t時刻：時刻： h

7、tdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 選擇幾組選擇幾組h1, h2, t ，計算相應的，計算相應的k，取平均值，取平均值21圖 2 - 5 變 水 頭 滲 透 試 驗常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LQ，t重復試驗后，取均值重復試驗后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAQLk

8、 室內(nèi)兩種試驗方法比較室內(nèi)兩種試驗方法比較不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土野外測定方法野外測定方法抽水試驗和注水試驗法抽水試驗和注水試驗法優(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)地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層觀察井觀察井A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2)(ln212212hhkrrq212212)/ln(hhrrqk缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長實驗方法：實驗方法：理論依據(jù)：理論依據(jù)：三、影響因素

9、 粒徑大小及級配粒徑大小及級配孔隙比孔隙比礦物成分礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)合水膜的厚度結(jié)合水膜的厚度土土粒粒特特性性、流流體體特特性性）(fk l水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù)l飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 對對k k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力 試驗觀察h=0h=0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。靜水中，土骨架會受到浮力作用。h0h0 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。架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。滲透力滲透

10、力 j 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。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。滲透變形滲透變形滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力h200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整體分析土水整體分析3.4 3.4 滲透力與滲

11、透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 滲流中的土體滲流中的土體3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1R靜水中的土體靜水中的土體A=1R = L whR = L 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時

12、，支持力減少向上滲流存在時，支持力減少減少的部分由誰承擔？減少的部分由誰承擔？水與土之間的作用力滲流的拖曳力水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力總滲透力J = wh滲透力滲透力 j = J/V = wh/L = wij = wi3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì)物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力的拖曳力，它是體積力j = wi大?。捍笮。悍较颍悍较颍号c滲流方向一致與滲流方向一致作用對象：作用對象：土骨架土骨架基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞滲透變

13、形（滲透破壞） 流砂流砂管涌管涌3.6 3.6 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 3 3 土中水的滲透規(guī)律土中水的滲透規(guī)律 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)的變形或破壞形成條件形成條件 防治措施防治措施 3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. . 滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bP2WP1RA=1R = L wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時，支持力減少向上滲流存在時，支持力減少臨界水力坡降臨界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh =

14、0e1)1G(ws e11Giscr 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流土流土在在向上向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象crii0JW 和土的密實程度有關(guān)eGiiscr113.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 滲流滲流原因：原因：1.1. 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 管涌管涌原因：原因：內(nèi)因內(nèi)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透力足夠大滲透力足夠大

15、在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，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管道。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管道。3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 管涌管涌破壞1. 基本類型基本類型 流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流砂流砂土體局部范圍的顆粒同時土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動發(fā)生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導致下游坡面產(chǎn)生局部滑

16、動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷時后果后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 二二. .滲透變形滲透變形 2.2.形成條件形成條件 scrFiii Fs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.03.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 二二. .滲透變形滲透變形 i : 允許坡降允許坡降i icr

17、 :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)流砂流砂經(jīng)驗判斷：經(jīng)驗判斷：3. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 增大增大 ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 3.4 3.4 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 二二. .滲透變形滲透變形防治流砂防治流砂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治管涌防治管涌改善幾何條件改善幾何條件：設(shè)反濾層等設(shè)反濾層等改善水力條件改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降3 3 土中水的滲透

18、規(guī)律土中水的滲透規(guī)律 透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻板樁圍護下的基坑滲流板樁圍護下的基坑滲流1. 飽和土中的應力形態(tài)PSPSVaaA 3.53.5滲流情況下的孔隙水應力和有效應力滲流情況下的孔隙水應力和有效應力一一. . 有效應力原理的基本概念有效應力原理的基本概念PSA：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a-aa-a斷面通過土斷面通過土顆粒的接觸點顆粒的接觸點有效應力有效應力1AAw u wsvAuPA a-aa-a斷面豎向力平衡：斷面豎向力平衡：wSAAA uAAAPwsv u u：孔隙水：孔隙水壓力壓力3

19、.53.5滲流情況下的孔隙水應力和有效應力滲流情況下的孔隙水應力和有效應力2. 飽和土的有效應力原理基本內(nèi)容飽和土的有效應力原理基本內(nèi)容u（1 1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應力可分為兩部分）飽和土體內(nèi)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有效應力有效應力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 孔隙水壓力的作用孔隙水壓力的作用 對土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻，并且水不能承受剪應力，對土顆粒間摩擦、土粒的破碎沒有貢獻，并且水不能承受剪應力，因而孔隙水壓力對土的強度沒

20、有直接的影響；因而孔隙水壓力對土的強度沒有直接的影響； 它在各個方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，由于顆粒本它在各個方向相等，只能使土顆粒本身受到等向壓力，由于顆粒本身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小。因而孔隙水壓力對變形也身壓縮模量很大，故土粒本身壓縮變形極小。因而孔隙水壓力對變形也沒有直接的影響，土體不會因為受到水壓力的作用而變得密實。沒有直接的影響，土體不會因為受到水壓力的作用而變得密實。變形的原因變形的原因顆粒間克服摩擦相對滑移、滾動顆粒間克服摩擦相對滑移、滾動與與 有關(guān)；有關(guān)；接觸點處應力過大而破碎接觸點處應力過大而破碎與與 有關(guān)。有關(guān)。強度的成因強度的成因 凝聚力和摩擦凝

21、聚力和摩擦與與 有有關(guān)關(guān)飽和土的有效應力原理u （2 2）（1 1）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二、在靜水條件下土中的孔隙水應力和有效應力二、在靜水條件下土中的孔隙水應力和有效應力上圖為浸沒在水下的飽和土體上圖為浸沒在水下的飽和土體，設(shè)土面至水面的距離為，設(shè)土面至水面的距離為h1,土土的飽和容重為的飽和容重為sat，則土面下深，則土面下深度為度為h2的的a-a平面上的總應力為平面上的總應力為孔隙水應力為孔隙水應力為于是，根據(jù)有效應力原理，于是，根據(jù)有效應力原理，a-a平面上的有效平面上的有效應力為應力為由此可見，在靜水條件下，孔隙水應力等于研究由此可見，在靜水條件下，孔隙水應力等于研究平面上單位面積的水柱重量，與水深成正比，呈平面上單位面積的水柱重量，與水深成正比，呈三角形分布；三角形分布；有效應力等于研究平面上單位面積的土柱有效重有效應力等于研究平面上單位面積的土柱有效