土滲透性和滲透變形第一頁，共38頁。第三章土的滲透性和滲透變形內(nèi)容提要：本章介紹土的滲透規(guī)律、滲透力和滲透變形規(guī)律第二頁，共38頁。第一節(jié)概述水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流。土具有被水體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性。本章主要研究飽和土的滲透性以及由滲流引起的滲透變形問題。作為土木、水利工程對象的地基或土工建筑物內(nèi)一般都存在著各種形態(tài)的水分，而土本身又具有滲透性，所以會產(chǎn)生各種各樣的工程問題：（1）水的問題指在工程中由于水本身所引起的工程問題。如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在的排水問題土壩中的滲透水量損失問題等。第三頁，共38頁。第一節(jié)概述（2）土的問題指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問題。如坡面、擋土強等結(jié)構(gòu)物的滲透穩(wěn)定問題；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物的滲透穩(wěn)定問題；地下水開采造成的地面沉降問題等。第四頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律

一、土的滲透規(guī)律及其適用范圍

（一）層流滲透規(guī)律

由于土的孔隙通道很小，所以在大多數(shù)情況下，水在土中的流速緩慢，屬于層流（即相鄰兩個水分子運動的軌跡相互平行而不混摻）。根據(jù)達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透流速與水力坡度的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)，即：式中：

q----地下水滲透流量；v----地下水滲透流速（和實際流速的區(qū)別）；第五頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律A----垂直于滲流方向上土的截面積；k----滲透系數(shù)（即i=1時的滲透流速）。（二）密實粘土的滲透規(guī)律在密實粘土中，由于孔隙全部或大部分充滿薄水，受薄膜水的阻礙，其滲透規(guī)律偏離達西定律（圖3-3B）。當(dāng)水力坡度較小時，滲透流速與水力坡度不呈線性關(guān)系，甚至不發(fā)生滲流；當(dāng)水力坡度達到某一定值，克服了薄膜水的阻力后，水才開始流動。這時：第六頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律（三）紊流滲透規(guī)律在純礫以上的很粗的土中的滲流，且水力坡度很大時，流態(tài)已不再是層流而是紊流，達西定律不再適用（如圖3-3C）。這時：

第七頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律二、滲透系數(shù)及其確定方法（一）滲透系數(shù)的影響因數(shù)滲透系數(shù)即i=1時的滲透流速，它是綜合反映水在土孔隙中運動的難易程度的指標(biāo)，其值受到土的性質(zhì)和水的性質(zhì)的影響。

（1）土的性質(zhì)對k的影響。主要包括：第八頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律（2）水的性質(zhì)對k的影響。主要是由于水的動力粘滯系數(shù)不同所引起。溫度高時，水的動力粘滯系數(shù)較低，k值變大；反之k值變小。不同土的滲透系數(shù)經(jīng)驗值如表3--1（P72）。第九頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律(二)滲透系數(shù)的實驗室測定方法1、常水頭試驗法----適用于滲透性較大的無粘性土常水頭法是在整個試驗過程中，水頭保持不變，其實驗裝置如圖3-4（P70）。試驗中只要用量筒和秒表測出在某一時段內(nèi)流經(jīng)試樣的水量，代入公式中，則：

式中：

----滲徑長度；A----試樣截面積；----試驗時水頭差。第十頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律2、變水頭試驗法----適用于粉土和粘土變水頭法是在整個試驗過程中，水頭是隨時間變化的，其實驗裝置如圖3-5（P71）。

設(shè)細玻璃管的內(nèi)截面積為。經(jīng)時段，細玻璃管中水位下降，則在時段內(nèi)流經(jīng)試樣的流量為：根據(jù)達西定理，在時段內(nèi)流經(jīng)試樣的流量又可表示為：兩式相等，則有：第十一頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律上式兩邊積分，則得滲透系數(shù)例3-1P72第十二頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律（三）層狀土的等效滲透系數(shù)大多數(shù)天然沉積土層是由滲透系數(shù)不同的幾層土所組成，宏觀上具有非均質(zhì)性。在計算滲流量時，常把幾個土層等效為厚度等于各土層之和，滲透系數(shù)為等效滲透系數(shù)的單一土層。等效透系數(shù)的計算與水流的方向有關(guān)（圖3-6）。

第十三頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律

1、水平滲流情況水平滲流情況，總流量等于各層流量之和，水力坡度各層相等，即：

則第十四頁，共38頁。第二節(jié)土的滲透規(guī)律

2、垂直滲流情況垂直滲流情況，總流量等于各層流量，即：即

垂直滲流情況，總水頭損失等于各層水頭損失之和，即：

即則

由上兩式知，kx可近似地由最滲水一層的滲透系數(shù)和厚度控制，而ky可近似由最不透水土層的k和H控制。第十五頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

滲透穩(wěn)定問題是土的穩(wěn)定性受到滲透破壞的問題，關(guān)系到工程的成敗。本節(jié)介紹土體的滲流穩(wěn)定問題。一、滲透力

水在土體中流動時，將會引起水頭的損失。而這種水頭損失是由于水在土體孔隙中流動時，力圖拖拽土粒而消耗能量的結(jié)果。滲透水流作用于所流經(jīng)的單位體積土體上的拖拽力稱為滲透力（或動水壓力）。在滲流場中任取以兩條相鄰流線和兩條相鄰等勢線組成的網(wǎng)格ABCD，網(wǎng)格邊界上的測壓管水柱高度和孔隙水應(yīng)力如圖3-10（）（P77）,對應(yīng)邊上孔隙水應(yīng)力經(jīng)相減后為矩形分布如圖3—10（）。第十六頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形第十七頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形現(xiàn)以網(wǎng)格中的孔隙水為脫離體（取單位厚度），其上的作用力有：（1）孔隙水的重量與水對土粒浮力的反作用力之和，方向向下，即：（2）AB面上的孔隙水應(yīng)力的合力，沿水流方向，即：

（3）BD面上的孔隙水應(yīng)力的合力，與流向垂直，即：（4）網(wǎng)格內(nèi)的土粒對水流的總阻力Fs，逆水流方向。第十八頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形由沿水流方向力的平衡條件可得：則土粒對水流的總阻力為：

則單位體積土體內(nèi)土粒對水流的阻力為：第十九頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形根據(jù)力的平衡條件，滲流作用于土樣的滲透力和土粒對水流的阻力大小相等方向相反，則滲透力為：由上述推導(dǎo)知：滲透力為均勻分布的體積力，其作用方向與滲流方向一致，其大小與水力坡度成正比。第二十頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

二、滲透變形（一）滲透變形的形式

土在滲透力的作用下，而發(fā)生變形或破壞的現(xiàn)象稱為滲透變形（或滲透破壞），滲透變形包括兩種基本形式。（1）流土流土是指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。流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，而不發(fā)生于土體內(nèi)部。如圖3-14發(fā)生在堤壩下游滲流逸出處。第二十一頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形（2）管涌在滲透水流的作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以至流失；隨著土的孔隙逐漸擴大，滲透流速不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道造成土體塌陷，這種現(xiàn)象稱為管涌。管涌即可發(fā)生在滲流出逸處，又可發(fā)生在土體內(nèi)部。如圖3-15即發(fā)生在靠近下游壩址滲流出口處的管涌。第二十二頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

（二）滲透變形的初步判別

就一般粘性土來說，其滲透變形的形式只有流土而無管涌；對于無粘性土，其滲透變形的形式則與土的顆粒組成、級配和密度等因素有關(guān)。（三）滲透變形的發(fā)生條件土的滲透變形的發(fā)生和發(fā)展過程有其內(nèi)因和外因。內(nèi)因是土的顆粒組成和結(jié)構(gòu)，即幾何條件；外因是水力條件，即作用于土體上滲透力的大?。ㄍǔＲ运ζ露缺硎荆?。第二十三頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

1、流土的發(fā)生條件使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡度稱為臨界水力坡度。在自下而上的滲流出逸處，任何土（包括粘性土或無粘性土），只要滿足滲透水力坡度大于臨界水力坡度這一水力條件，均要發(fā)生流土。一般認為：不均勻系數(shù)Cn<10的均勻砂土，在較小的水力坡度下，即可發(fā)生流土。（1）實驗室測定（2）理論公式第二十四頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形如圖3-9，試樣的浮重量（向下）為：而向上的滲透力為：當(dāng)貯水器被堤升到某一高度，即使得滲透力等于浮重量時，在流滲作用下試樣處于即將被浮動的臨界狀態(tài)，即：則臨界水力坡度為：第二十五頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形(3)經(jīng)驗公式

由于流土將造成地基破壞，建筑物倒塌等災(zāi)難性事故，工程上是絕對不允許的，故設(shè)計時要保證有一定的安全系數(shù)，把滲出坡降限制在允許滲透坡降以內(nèi)，即：式中Fs為安全系數(shù)，一般取2.0～2.5。第二十六頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

2、

管涌的發(fā)生條件

（1）經(jīng)驗公式

試驗表明：對于Cn>10的砂和礫石、卵石的孔隙中僅有少量的細粒時（<30-35％），只要較小的水力坡度足以推動細砂而發(fā)生管涌。臨界水力坡降經(jīng)驗公式（據(jù)水利水電科學(xué)院）：第二十七頁，共38頁。第三節(jié)滲透力和滲透變形

（2）實驗室測定允許滲透坡降值為：（四）影響滲透變形的因素例3-2P84第二十八頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算

一．飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力

（一）基本概念土體中的應(yīng)力，按應(yīng)力傳遞方式可分為有效應(yīng)力和孔隙應(yīng)力兩種：（1）有效應(yīng)力由土骨架承擔(dān)，并通過顆粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱為有效應(yīng)力。土的變形與強度的變化都只取決于有效應(yīng)力的變化。（2）孔隙應(yīng)力由土中流體（水和氣體）承擔(dān)，并通過流體傳遞的應(yīng)力稱為孔隙應(yīng)力。對于飽和土體孔隙應(yīng)力就是孔隙水應(yīng)力。孔隙應(yīng)力不會引起土的變形和強度變化。有效應(yīng)力和孔隙應(yīng)力之和稱為總應(yīng)力。保持總應(yīng)力不變，有效應(yīng)力和孔隙應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)變。第二十九頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算

（二）有效應(yīng)力原理第三十頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算二．自重應(yīng)力狀態(tài)下土中有效應(yīng)力和孔隙水壓力計算（一）靜水條件下如圖3-22（P86），作用在a點水平面上的總應(yīng)力為：孔隙水壓力應(yīng)等于該點的靜水壓強，即：

第三十一頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算根據(jù)有效應(yīng)力原理，a點的豎向有效應(yīng)力為：該式說明：就是該點的自重應(yīng)力，即自重應(yīng)力是指有效應(yīng)力?？紫端畱?yīng)力和有效應(yīng)力的分布如圖3-22（b）。第三十二頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算（二）穩(wěn)定滲流條件下（1）向下滲流情況圖3-23（P87）表示水通過土層向下滲流的情況。在a-a斷面的總應(yīng)力為：孔隙水壓力為：則有效應(yīng)力為：孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力的分布如圖3-22（b）。第三十三頁，共38頁。第四節(jié)飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)