土的渗透性及渗透力

1、13 土的渗透性及渗透力2目录 3.1 土的渗透性及渗透定理 3.3 渗透力及渗透破坏 3.4 有效应力原理及计算 3.2 渗透系数的测定3 3.1 土的渗透性及渗透定理渗渗流流滑滑坡坡4层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。5 层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律达西定律（达西定律（1896年）年）kiLhkAqvkAiLhkAq 则渗透系数的物理意义渗透系数的物理意义单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。反映土体渗透性的大小，是土的重要

2、指标之一。可通过试验测定。反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定。达西定律达西定律6（1）采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流 速。速。实际流速要比平均流速大实际流速要比平均流速大。（2）采用了以采用了以土样长度为渗径土样长度为渗径的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正 水力梯度。水力梯度。无粘性土无粘性土中砂、细砂、粉砂中砂、细砂、粉砂粘土粘土适用条件：适用条件：大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土疏松的粘土及砂性较重的粘性土起始水力

3、梯度达西定律的达西定律的基本假定基本假定：7 3.2 渗透系数的测定1.1.常水头试验常水头试验o适用范围：透水性强的无粘性土适用范围：透水性强的无粘性土 o试验装置：如图示试验装置：如图示o试验特点：试验特点： 水在常水头差水在常水头差h h的作用下流过试样的作用下流过试样 o试验方法：试验方法： 测量对应于某一时段测量对应于某一时段t t，流经试样的水量，流经试样的水量Q Qi=h/Li=h/LQ=vAtQ=vAtv=kiv=kiAhtQLk 81.1.变水头试验变水头试验o适用范围：渗透性很小的粘性土。适用范围：渗透性很小的粘性土。o试验装置：如图示试验装置：如图示o试验特点：试验特点：

4、 试样顶部水头随时间变化，作用试样顶部水头随时间变化，作用于试样两端的水头差于试样两端的水头差h h在试验过程在试验过程中是变化的。中是变化的。21lnhhAtaLk 自学推导过程9A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 2 )(ln212212hhkrrq 212212)/ln(hhrrqk 优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层（完整井）（完整井）观察井观察井10定义：定义：当土中发生向下或向上的渗流时，当土中发

5、生向下或向上的渗流时，渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相同的同的体积力体积力，使土骨架应力相应地增加或，使土骨架应力相应地增加或减小，此体积力称为减小，此体积力称为渗流力渗流力，用，用J表示表示。渗流变形渗流变形渗流力渗流力 3.3 渗透力及渗透破坏3.3.1渗流力渗流力（动水力）（动水力）111. 1. 试验装置：可产生垂直渗试验装置：可产生垂直渗流的试验装置，如图所示。流的试验装置，如图所示。2. 2. 试验假设试验假设 土是均匀的，土中的渗流土是均匀的，土中的渗流不论向上还是向下，不论向上还是向下，土中土中的水头损失沿渗流方向都的水头损失沿渗流方向都

6、是均匀变化的，是均匀变化的，即假设渗即假设渗流引起的流引起的应力改变量沿渗应力改变量沿渗流方向是直线变化的流方向是直线变化的。 土的渗流试验简图土的渗流试验简图12单位渗流力单位渗流力：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力, , 用用j j表示，单位为表示，单位为kN/mkN/m3 3 当当h h1 1=h=h2 2时，无渗流发生时，无渗流发生当当h h1 1hh2 2时，向上渗流时，向上渗流当当h h1 1hh2 2时，向下渗流时，向下渗流zjziLzhLwwB)()()(ijw单位渗流力：饱和土体中渗流力计算饱和土体中渗流力计算133.3.2渗渗透破坏透破坏

7、土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏基本类型基本类型 流土流土管涌管涌形成条件形成条件 防治措施防治措施 14（1）流土（流砂）流土（流砂）在在向上向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动悬浮移动的现象的现象和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝坝体体体体渗流渗流原因：原因：zj)(ijw或15形成条件形成条件 scrFiii F Fs s: : 安全系数安全系数2.02.02.52.5 i : i : 允许坡降允许坡降i ii ii

8、icrcr : :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态经验判断：经验判断：16（2）管涌）管涌在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒细小颗粒，通过较大颗粒，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管道。原因：原因：内因内因有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗流力足够大渗流力足够大 管涌管涌破坏17过渡型土管涌土非管涌土级配连续的土过渡型土细料含量管涌土细料含量非管涌土细料含

9、量级配不连续的土的不均匀土非管涌土的比较均匀的土 (b) 35%25 5%2 35% (a) 10 B. 10 .5305030ddDdDdDCCAuu无粘性土无粘性土 发生管涌的判别标准为（内因发生管涌的判别标准为（内因颗粒几何条件）：颗粒几何条件）：200250d.D 土的孔隙平均直径d d2020小于该粒小于该粒径的土质量占总径的土质量占总质量的质量的20%20%18发生管涌的水力条件发生管涌的水力条件外因外因试验测定方法：试验测定方法：o 改变试样底部的水头高度。改变试样底部的水头高度。 o 现象现象: :试样中细小土粒移动。试样中细小土粒移动。o b b图中：图中： 从从C C点开始

10、，水力梯度稍有点开始，水力梯度稍有增加，渗流速度就会急剧加增加，渗流速度就会急剧加大，说明试样中发生了管大，说明试样中发生了管涌涌 。1920防治措施防治措施 scrFiiLhi增大增大ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防防治治流流土土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压防防治治管管涌涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等，设反滤层等，反滤层为级配较均匀的砂子和砾反滤层为级配较均匀的砂子和砾石层，能保护细颗粒不被带走，石层，能保护细颗粒不被带走，同时也具有较大的透水性同时也具

11、有较大的透水性改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降21流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体土体局部范围的颗粒同时发局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流只发生在水流渗出的表层渗出的表层只要渗透力足够大，可发只要渗透力足够大，可发生在生在任何土中任何土中破坏过程破坏过程短短导致下游坡面产生导致下游坡面产生局部滑动局部滑动等等现象现象位置位置土类土类历历时时后果后果土体内土体内细颗粒通过细颗粒通过粗粒形成粗粒形成的的孔隙孔隙通道移动通道移动可发生于土体可发生于土体内部内部和渗流和渗流溢出处溢出处一般发生在一般发生在特定级配特定级配的的无粘性土或分散性粘土无粘

12、性土或分散性粘土破坏过程相对较破坏过程相对较长长导致结构发生导致结构发生塌陷或溃口塌陷或溃口22 3.4 有效应力原理及计算 o粒间应力粒间应力（interparticle stressinterparticle stress） 由土骨架颗粒间接触点传递的应力。由土骨架颗粒间接触点传递的应力。o有效应力有效应力（effective stresseffective stress） 对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。o孔隙水压力孔隙水压力（pore water pressurepore water pressure） 由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体

13、的变形和强度变化，由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体的变形和强度变化，又称为中性应力。它不随时间而变化。又称为中性应力。它不随时间而变化。o超静孔隙水压力超静孔隙水压力（excess pore water pressureexcess pore water pressure） 由外荷载引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。由外荷载引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。3.4.1 3.4.1 有效应力的基本概念有效应力的基本概念233.4.2 3.4.2 有效应力原理有效应力原理A：Aw：As：土单元的断面积土单元的断面积颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积有效应

14、力有效应力aaAa-aa-a断面通过断面通过土颗粒的接土颗粒的接触点触点u u：孔隙：孔隙水压力水压力a1AAw u wsvAuPA a-aa-a断面断面竖向力平衡竖向力平衡：wSAAA uAAAPwsv PSPSVPS1 1、饱和土中的应力形状、饱和土中的应力形状24u （1 1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和和u u，并且，并且（2 2）土的变形与强度都只取决于有效应力）土的变形与强度都只取决于有效应力 u 一般地，一般地，有效应力有效应力总应力已知或易知总应力已知或易知孔隙水压测定或算定孔隙水压测定或算定通常通常, ,u 2

15、 2、饱和土中的有效应力原理、饱和土中的有效应力原理253.4.3 3.4.3 稳定渗流下的土中有效应力的计算稳定渗流下的土中有效应力的计算1 1、静水条件下、静水条件下=-u-u = =H H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H2 2 = =H H1 1+(+(satsat- -w w)H)H2 2 = =H H1 1+ +HH2 2sat 地下水位地下水位2sat1HH 地下水位下降引起地下水位下降引起 增大的部分增大的部分H H1 1H H2 2=-u-uu=u=w wH H2 2u=u=w wH H2 2地下水位下降会引起地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，增大，土

16、会产生压缩，这是城市抽水引起地面这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。沉降的一个主要原因。26海洋土海洋土=-u-u = =w wH H1 1+ +satsatH H2 2- -w wH H = =satsatH H2 2- -w w(H-H(H-H1 1) ) =(=(satsat- -w w)H)H2 2 = =HH2 21HH2H2sat1wHH Hw w wH H1 1w wH H1 12H sat 27毛细饱和区毛细饱和区 sat 毛细饱毛细饱和区和区HwhchthtsathH wwtsathhH wwh cwh cwhH 总应力总应力孔隙水压力孔隙水压力有效应力有效应力+ +-

17、-282 2、稳定渗流条件下、稳定渗流条件下（1 1）水自下而上渗流）水自下而上渗流hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(:面（当当h h2 2 h h1 1时，时，h h2 2 =h =h1 1 + h + h，即向上渗流，即向上渗流）29（2 2）水自上而下渗流）水自上而下渗流（当当h h2 2 h h1 1时，时，h h2 2 =h =h1 1 - - h h，即向，即向下下渗流渗流）hhLhhLhuhuhhhuLhLhbbwwwwwwwwsatw01101210)()(面：30o 结结 论论： 土中发生向上的渗流时，由于孔土中发生向上的渗流时，由于孔隙水向上渗流，并且作用在土颗隙水向上