第3章

土的滲透性及滲流內(nèi)容提要3.1概述3.2土的滲透性和滲流定律

土的滲透性

土的層流滲透定律—達西定律

滲透系數(shù)的測定及其影響因素3.3滲透破壞與控制滲流力的計算

土的滲透破壞和防治措施3.1概述第3章3.1概述孔隙水流動能量差土顆粒土中水滲流土體多孔介質(zhì)

滲流：水在能量差的作用下在土體孔隙通道中流動的現(xiàn)象。水在土孔隙中的流動會引起土體中應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而使土體的強度和變形特性發(fā)生變化。

滲透性：土體具有的能夠被水和氣體等流體通過的性質(zhì)。與滲透性相關(guān)的工程問題基坑開挖排水修筑滲水路堤飽和粘性土地基的沉降施工降水地下水開采土石壩及堤岸的穩(wěn)定性（流砂、管涌）3.1概述土的滲透性研究主要包括如下三方面的問題：滲流量問題滲透破壞問題滲流控制問題3.1概述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土石壩壩基壩身滲流3.1概述板樁圍護下的基坑滲流滲水壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻3.1概述水井滲流滲流量透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q地下水位3.1概述3.2土的滲透性和滲流定律第3章一.土的滲透性—滲流模型3.2土的滲透性和滲流定律水在孔隙中的真實運動軌跡理想化的滲流模型對滲流的簡化：不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向；不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土顆粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。3.2土的滲透性和滲流定律對滲流模型的要求：在同一過水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真實滲流的流量；在任一界面上，滲流模型的壓力與真實滲流的壓力相等；在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實滲流所受到的阻力相等。一.土的滲透性—滲流模型3.2土的滲透性和滲流定律一.土的滲透性—滲流速度滲流速度滲流速度表征過水截面上的平均流速，并不代表水在土中滲流的真實流速。實際流速n<1.0v<v0真實滲流僅發(fā)生在土體孔隙內(nèi)3.2土的滲透性和滲流定律一.土的滲透性—水頭和水力梯度（水力坡降）ABL透水層不透水層基坑板樁墻3.2土的滲透性和滲流定律ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面位置水頭壓力水頭速度水頭

位置水頭：代表單位質(zhì)量液體所具有的位能，與基準(zhǔn)面的選取有關(guān)；壓力水頭：該點孔隙水壓力對應(yīng)的水柱的高度；速度水頭：代表單位質(zhì)量液體所具有的動能。一.土的滲透性—水頭和水力梯度（水力坡降）3.2土的滲透性和滲流定律ABLh1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面

水力梯度：表示在水的滲流路徑上單位長度上的水頭損失，也稱為水力坡降或水頭梯度。

水力梯度可以表征水在土中滲流的推動力的大小。水力梯度一.土的滲透性—水頭和水力梯度（水力坡降）3.2土的滲透性和滲流定律二.土的層流滲透定律—達西定律土體中孔隙一般較小，水在孔隙中滲流時的粘滯阻力很大，流速緩慢。層流：水流流線互相平行的流動。層流滲透定律層流達西（Darcy）定律3.2土的滲透性和滲流定律達西滲透試驗層流的滲透速度與水力梯度成正比二.土的層流滲透定律—達西定律3.2土的滲透性和滲流定律滲透系數(shù)k：表征土體滲透性強弱的指標(biāo)，數(shù)值上等于單位水力梯度時對應(yīng)的滲流速度，具有速度的量綱。土的滲透系數(shù)參考值

土的類別滲透系數(shù)（m/s）粘土<5×10-8粉質(zhì)粘土5×10-8～1×10-6粉土1×10-6～5×10-6黃土2.5×10-6～5×10-6粉砂5×10-6～1×10-5二.土的層流滲透定律—達西定律3.2土的滲透性和滲流定律土的滲透系數(shù)參考值

土的類別滲透系數(shù)（m/s）細(xì)砂1×10-5～5×10-5中砂5×10-5～2×10-4粗砂2×10-4～5×10-4圓礫5×10-4～1×10-3卵石1×10-3～5×10-3二.土的層流滲透定律—達西定律3.2土的滲透性和滲流定律三.達西定律的適用范圍達西定律只適用于層流的情況，一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等土類中水的滲流。對于粗砂、礫石、卵石等粗顆粒土，水的滲流速度較大，不再是層流而是紊流，達西定律不再適用。對于粘土中水的滲流，達西定律需進行修正。粘土中自由水的滲流受到結(jié)合水膜粘滯阻力的影響，只有克服結(jié)合水的粘滯作用才能開始滲流?？朔Y(jié)合水的粘滯作用所需要的初始水力梯度，稱為粘土的起始水力梯度i0。粘土中的達西定律：3.2土的滲透性和滲流定律三.達西定律的適用范圍砂土粘土ii03.2土的滲透性和滲流定律三.達西定律的適用范圍—用雷諾數(shù)Re判斷若水流速度很小，為粘滯力占優(yōu)勢的層流，達西定律適用，此時雷諾數(shù)Re小于1～10之間的某一值；水流速度增加到慣性力占優(yōu)勢的層流和層流向紊流過渡時，達西定律不再適用，此時雷諾數(shù)Re

在10～100之間；隨著雷諾數(shù)Re

的增大，水流進入紊流狀態(tài)，達西定律完全不適用。3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定及其影響因素土的滲透系數(shù)的測定方法：室內(nèi)試驗測定常水頭滲透試驗變水頭滲透試驗現(xiàn)場抽水試驗3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—常水頭滲透試驗在整個試驗過程中，水頭差Δh保持不變。

適用于透水性強的無粘性土。3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—變水頭滲透試驗試驗過程中儲水管中的水位不斷下降，滲流水頭差不斷減小。適用于透水性弱的粘性土。3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—變水頭滲透試驗3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—現(xiàn)場抽水試驗用于粗顆粒土或成層土3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—現(xiàn)場抽水試驗抽水井類型無壓完整井無壓非完整井3.2土的滲透性和滲流定律四.滲透系數(shù)的測定—現(xiàn)場抽水試驗3.2土的滲透性和滲流定律土的滲透系數(shù)的主要影響因素：土顆粒的粒徑、級配和礦物成分

土的密實度（孔隙比）

土的飽和度（土中氣體）

土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

水的溫度四.滲透系數(shù)的測定及其影響因素3.2土的滲透性和滲流定律五.成層土的等效滲透系數(shù)—水平滲流3.2土的滲透性和滲流定律五.成層土的等效滲透系數(shù)—豎向滲流例題3.1

如圖所示的達西滲流試驗，假設(shè)試管中的砂土為兩種土樣，土樣1位于土樣2的上部，它們的高度都是20cm，總水頭損失為40cm，土樣1的滲透系數(shù)為0.03cm／s，土樣2的水力梯度為0.5。求土樣2的滲透系數(shù)和土樣1的水力梯度，并求該滲流系統(tǒng)的平均滲透系數(shù)。12

某滲透試驗裝置如圖所示。砂I的滲透系數(shù)為k1＝2×10–1cm／s，砂Ⅱ的滲透系數(shù)k2＝1×10–1cm／s，砂樣斷面積A為200cm2

。（1）若在砂Ⅰ與砂Ⅱ分界面處安裝一測壓管，則測壓管中水面將升至右端水面以上多高？（2）滲透流量Q多大？例題3.23.3滲透破壞與控制第3章3.3滲透破壞與控制一.滲流力的計算水在土中流動能量消耗力圖拖曳土粒水頭損失滲透水流對土體內(nèi)的土顆粒施加有力的作用。水在土中滲流時，受到土顆粒的阻力作用，產(chǎn)生能量損失，阻力的作用方向與水的滲流方向相反，則水流必然有一個相等的力作用在土顆粒上。當(dāng)飽和土體中出現(xiàn)水頭差時，滲透水流作用于單位體積土骨架上的力稱為滲流力（或滲透力，動水力），它是一種體積力。滲流力的作用方向與水的滲流方向一致。一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制A滲透水流的流速變化很小，慣性力可以忽略不計一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制土柱隔離體內(nèi)水的受力：

—

作用在土柱隔離體截面a處的水壓力，其方向與水流方向一致；

—

作用在土柱隔離體截面b處的水壓力，其方向與水流方向相反；

—土柱隔離體內(nèi)水的重力，其方向為豎直向下；一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制土柱隔離體內(nèi)水的受力：

—

土柱隔離體內(nèi)的土顆粒作用于水的力（水對土顆粒作用的浮力的反作用力），其方向為豎直向下；

—

水滲流時，土柱隔離體中的土顆粒對水的阻力，其方向與水流方向相反。一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制土柱隔離體內(nèi)水的力平衡方程：

3.3滲透破壞與控制一.滲流力的計算滲流力的計算公式：

滲流力表示的是水流對單位體積土體顆粒的作用力，是由水流的外力轉(zhuǎn)化為均勻分布的體積力（kN/m3），普遍作用于滲流場中所有的土顆粒上。滲流力的大小與水力梯度成正比，方向與滲流的方向一致。一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響：

(a)(b)(a)向下滲流(b)向上滲流3.3滲透破壞與控制一.滲流力的計算滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響：

當(dāng)水的滲流方向由上向下時，滲流力的方向與土體重力方向一致，使土顆粒之間的接觸壓力增大；當(dāng)水的滲流方向由下向上時，滲流力的方向與土體重力方向相反，使土顆粒之間的接觸壓力減小。一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響：

1點：滲流力與重力方向一致，滲流力使土體壓密，對穩(wěn)定有利；2點，3點：滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不利；4點：滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利。3.3滲透破壞與控制一.滲流力的計算滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響：

當(dāng)向上的滲流力與土的有效重度相等時，土顆粒之間的壓力等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定。這種現(xiàn)象稱為流砂（或流土）。一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制滲流方向?qū)ν令w粒間作用力的影響：

臨界水力梯度：

容許水力梯度：安全系數(shù)一.滲流力的計算3.3滲透破壞與控制二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施滲流土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題管涌、流砂等水庫岸坡塌岸、土壩在水位降落時引起的滑動3.3滲透破壞與控制土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)土層剝落、地面隆起、形成滲流通道等破壞或變形現(xiàn)象稱為滲透破壞或滲透變形。滲透破壞的主要形式：（1）流砂或流土（2）管涌和潛蝕（3）接觸流土（4）接觸沖刷二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制流砂或流土

在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象，主要發(fā)生在地基或土壩下游的滲流溢出處。流砂或流土現(xiàn)象的發(fā)生一般是突發(fā)性的，對工程危害極大。二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制發(fā)生流砂或流土現(xiàn)象的土質(zhì)條件：

流砂或流土現(xiàn)象主要發(fā)生在顆粒級配均勻的飽和細(xì)砂、粉砂和粉土層中。飽和的低塑性粘性土當(dāng)受到擾動，也會發(fā)生流砂或流土現(xiàn)象。在粗顆粒土及粘土中不易產(chǎn)生流砂或流土現(xiàn)象。二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制流砂現(xiàn)象的危害：

造成地基土體流失，導(dǎo)致建筑物不均勻沉降。造成基坑土體流失，導(dǎo)致基坑破壞。二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制流砂或流土現(xiàn)象的判別

i<icr，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生流砂；

i=icr，土體處于臨界狀態(tài)；

i>icr，土體發(fā)生流砂破壞。流砂或流土的安全性評價安全系數(shù)Ks一般取1.5～2.03.3滲透破壞與控制二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施預(yù)防流砂現(xiàn)象的工程措施

關(guān)鍵：控制滲流溢出處的水力梯度，使實際的水力梯度不超過允許的范圍。具體措施：切斷地基的透水層（防滲墻等）；延長滲流路徑，降低溢出處的水力梯度（水平防滲鋪蓋）；減小滲流壓力或者防止土體被滲透力懸浮（減壓井等）。二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制管涌

在滲透水流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒的孔隙中移動以至流失，隨著土體中的孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增大，較粗的顆粒也被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷的現(xiàn)象。管涌一般發(fā)生在砂性土中，發(fā)生的部位一般在滲流出口處，一般隨時間增加不斷發(fā)展，是一種漸進性質(zhì)的破壞。3.3滲透破壞與控制二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制管涌與土顆粒組成的關(guān)系：

發(fā)生管涌的臨界水力梯度與土顆粒的大小及其級配情況有關(guān)。土的不均勻系數(shù)越大，管涌現(xiàn)象越容易發(fā)生。3.3滲透破壞與控制二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施管涌現(xiàn)象的判別

不均勻系數(shù)Cu<10，為非管涌土；10<Cu<20，為管涌土或非管涌土，還需結(jié)合其它條件進行判別；Cu>20，為管涌土。二.土的滲透破壞（滲透變形）和防治措施3.3滲透破壞與控制預(yù)防管涌現(xiàn)象的工程措施

改變水力條件，降低土層內(nèi)部和滲流溢出處的水力梯度（板樁）；改變幾何條件，在滲流溢出部位鋪設(shè)反濾層，防止土顆粒被滲透水流帶走。反濾層：粒