土力学第3章土的渗透性与渗流

1、 土力学 3共六十八页Warming-upSecondary Mineral次生矿物Eluvial Soil, Residual Soil残积土Silty Clay粉质粘土Degree of Saturation饱和度, Saturated Density饱和密度(md)Specific Gravity比重, Unit Weight重度Coefficient of Uniformity不均匀系数Block / Skeletal / Three phase Diagram三相图Critical Hydraulic Gradient临界水力梯度Seepage Discharge渗流量Darcys

2、Law Piping管涌Coefficient of Permeability渗透系数 Seepage Failure渗透破坏共六十八页Warming-up达西定律Darcys law 管涌piping 浸润(jnrn)线phreatic line 流土flowing soil临界水力梯度critical hydraulic gradient流函数flow function 流网 flow net 砂沸sand boiling 水力梯度hydraulic gradient渗流seepage 渗流量seepage discharge渗流速度seepage velocity 渗透力seepage

3、force渗透系数coefficient of permeability渗透性permeability 势函数potential function渗透破坏seepage failure 毛细水 capillary water常/变水头试验constant/falling head test共六十八页第3章 土的渗透性与渗流(shn li)3.1 概述3.2 达西定律3.3 土的渗透系数3.4 饱和土中的应力和有效应力原理3.5 渗透力和渗透变形3.6 二维渗流(shn li)和流网共六十八页3.1 概述(i sh)由于土中存在孔隙，水（自由水重力水）必能在其中流动，故在一定条件下土中将发生渗流

4、。 渗流 水在土体中的流动。其流动速度与土的渗透性密切相关。 土的渗透性 表征水流通过土中孔隙难易程度的性质，或即：土允许水透过的特性。 地基问题很多与土中渗流有关，例如，地基的沉降随时间变化，就与土中渗流有很大关系。正是因为在荷载作用下土中自由水逐渐从土的孔隙中被挤出，地基才缓慢的发生沉降或变形。因此，研究土的渗透性和土中渗流有重要(zhngyo)的意义。共六十八页伯努力(n l)Bernowlli方程孔隙水的流动服从伯努力方程，即它是从总能量高处向总能量低处流动。这个总能量可用总水头h来度量： 式中：hz 相应于一定基准面的位置水头；u 孔隙水压力；v 孔隙中水的实际流速；g 重力加速度；

5、 为压力水头； 为流速水头。 由于(yuy)土中水的流速 v 一般都较小，故上式中第三项可以忽略不计，余下的两项之和亦称为测管水头。共六十八页某点的总水头(shutu)共六十八页渗流引起(ynq)的两类工程问题在岩土工程中土中水的渗流主要会引起两类工程问题： （1）流量与渗流速度问题 在水利工程中的井、渠、坝及其基础工程中，在土木工程中的基坑等施工中（见图3-1），人们常关心的是渗透流量的多少和渗流速度的快慢，相应的措施是改善或降低土的渗透性。 （2）渗透破坏问题 渗透破坏是指在渗透水流对土骨架的渗透力的作用下，土颗粒(kl)间可能发生相对运动甚至整体运动，从而造成地基土体及建造在其上的建筑物

6、失稳。 共六十八页图3-1 工程(gngchng)中的渗流问题(a) 基坑人工降水 (b) 基坑排水 (c) 渠道(qdo)渗流(d) 堤防渗流共六十八页3.2 达西定律(dngl)法国水利工程师达西(Darcy)于1856年在均匀的砂中进行一维渗透试验，原理如图3-2。试验结果表明：式中，h 土样的总水头，亦即测管水头差；L 试样的长度，也称渗径； A试样的断面面积；Q 渗透流量； k 比例常数。达西定律称为线性渗透定律，对绝大多数土类均适用。但只适用于层流(cn li)，不适用于紊流（发生在渗透性很大的卵石和堆石中，例如漩涡）。对于渗透性很低的硬粘土，只有当水头梯度超过某起始值 i0，才会

7、发生线性渗流，在此前则为非线性渗流，即v = k1 in（n1），其后才符合线性规律。（见图3-4）共六十八页达西定律(dngl)此即达西定律, ， 其中： Q 渗流流量, 即单位时间通过过水断面（与水流方向垂直的土截面）的水量cm3/s； v 水在土中的渗透(shntu)速度（以整个土截面计算的平均速度）, cm/s。由于土中孔隙的曲折，v 并非孔隙中水的实际流速，而是单位时间内流过单位土截面(过水断面)的水量 q 。 i 水头梯度（又称水力坡降，水力梯度）， ， 即土中A1和A2两断面的水头差（H1H2）与两断面间土样长度之比 （图3-2），无量纲； k 土的渗透系数（cm/s），其物理意

8、义即：单位水头梯度下的渗透速度 (因为当 i = 1，由达西定律知：v = k)。共六十八页图3-2 一维渗透试验(shyn)原理共六十八页图3-4渗流(shn li)流速与水力坡降的两种非线性关系(a) 卵石(lunsh)中渗流 (b) 硬粘土中渗流对于硬粘土，为简化，以直线的延长线与横坐标的交点 i0 作为起始梯度共六十八页3.3 土的渗透系数3.3.1 渗透系数的影响(yngxing)因素3.3.2 不同土渗透系数的范围3.3.3 确定土的渗透系数的试验3.3.4 分层土的等效渗透系数共六十八页3.3.1 渗透系数的影响(yngxing)因素主要影响因素有：孔隙比、颗粒的尺寸及级配、饱和

9、度、温度、颗粒的矿物组成和土的结构。 1. 孔隙比：由于渗流是在土孔隙中发生(fshng)的，故孔隙比 e 越小，k 越小。试验表明，在同一种砂土中 k 大约与 e2 或者 e2/(1+ e) 成比例。但对于粘土和粉土，这种关系不完全成立。 2. 颗粒的尺寸及级配：渗流通道（即土中孔隙通道）越细，对水流的阻力就越大，而土中孔隙通道的粗细与颗粒的尺寸和级配有关，特别是与其中较细的颗粒的尺寸有关。故颗粒越大，则孔隙通道越大， k 也越大。对于均匀砂土，当有效粒径 d10 = 0.103mm 时，Hazen (1911)建议了以下经验公式： ，其中C = 0.41.2, 为与土性有关的经验系数。共六

10、十八页影响(yngxing)因素3. 饱和度 由于气泡阻碍水流动,故孔隙中即使有很小的气泡也会严重影响土的渗透性，所以土的饱和(boh)度对渗透系数的量测是很重要的影响因素，在渗透试验中应尽量使土达到完全饱和(boh)。饱和(boh)度越高，渗透系数越大。 4. 温度 渗透系数实质上反映了流体经过土的孔隙通道时与土颗粒间的摩擦力或粘滞力。流体粘滞性与温度有关，故从试验测得的渗透系数值kT须修正，得到20C下的渗透系数标准值k20。据土工试验规程（SL237-1999），修正公式为： ，其中 为温度修正项，取值见表3-1。可见, 渗透系数随温度的升高而增大。共六十八页表3-1 温度修正(xizh

11、ng)项与温度关系 T（C ）51015202530351.5011.2971.1331.0000.8900.7980.720共六十八页影响(yngxing)因素5. 颗粒的矿物组成：在同样孔隙比情况下，粘土矿物的渗透性依次是：高岭石伊利石蒙脱石。6. 土的结构：由于天然沉积土的分层性，其渗透性往往是各向异性( xin y xn)的。对于裂隙粘土及风化粘土，其渗透性往往不取决于颗粒间的孔隙，而取决于宏观的裂隙；同样，具有凝聚(絮状)结构的粘土，其团粒间的孔隙会使其渗透系数很大。 影响土的渗透系数的还有其他因素，但主要因素还是土的孔隙比和颗粒性质（大小及级配等）。共六十八页3.3.2 不同(b

12、tn)土渗透系数的范围不同类的土之间的渗透系数相差极大，一般的范围见表3-2。应记住：粘土，k 10-6cm/s；粉土，10-6 k 10-4cm/s；砂， 10-3 iacr，故在粘土层必定发生流土。共六十八页【例题(lt)3-5】在例题3-3中如果（a）一、二层土互换，或者（b）一、二、三层反过来布置，验算(yn sun)是否会发生流土。【图3-16】 【解】在这种情况下，不能只分别验算表层和每个层的水力坡降，而应进行整体平衡的验算，即验算每层土底面的有效应力是否大于零，若大于零则不会发生流土，否则将发生。共六十八页解答(jid)尽管土层调换，但各层土中水头损失是不变的。在例题3-3计算中

13、已知：ha=24.4cm ；hb=0.61 cm；hc= 0.0122cm，由于(yuy)粘土层a中的水力坡降最大(ia =4.88)，最有可能发生流土，故只需对该土层进行分析。在图3-16（a）中，粘土层 a 的底部1m2断面上作用有向上的总压力（即粘土层a底部每m2断面上所受到的总水压力）： 粉土顶面的水压力： 两层饱和土（粉土粘土）的自重： W =19.620.05+18.80.24.741kN这时向上的扬压力（即水压力） P2 P1+W（即作用在粘土层a底部每m2断面上的有效总压力= P1+W P2 = 0.49 + 4.741 5.4 = 0.169 kN P2 = 7.36kN 即

14、作用在粘土层a底部每m2断面上的有效总压力= P1+W P2 = 8.95 7.36 = 1.59 kN 0。 因此，在这种情况下，上部的水土自重大(zhngd)于粘土层下部的扬压力（即向上作用在粘土层底部的水压力），不会发生流土。共六十八页3.5.3 管涌(un yn)在渗透力作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中被渗透水流带走而流失的现象，称为管涌。其结果是：细颗粒被带走孔隙越来越大形成管状通道粗颗粒架空、坍落土体破坏。 管涌可能发生在土体中的任何部位和任何渗流(shn li)方向，其破坏是逐渐的，在大颗粒无粘性土内发生时，则称为 “内管涌” 或 “潜蚀”。 流土和管涌是土体破坏的主要

15、形式。共六十八页管涌(un yn)发生的条件发生管涌的条件(tiojin)有几何条件(tiojin)和水力条件(tiojin)两部分。 （1）几何条件 必要条件：土中细颗粒能够从粗颗粒形成的孔隙通道中通过。即Ds 10，级配不连续，并且其中细颗粒含量小于5的无粘性土是管涌土。对于级配连续的土，若D0 Ds 也属于管涌土。其中D0经验计算公式为 D0 = 0.25d20 。共六十八页（2）水力(shul)条件 渗透(shntu)水流的渗透(shntu)力达到一定程度时才可带动土中的细颗粒，因而管涌要在一定的水力坡降下才会发生。一般: 发生管涌的临界水力坡降比发生流土的临界值低，但是其变化范围很大

16、，并远不象流土临界水力坡降 那么容易准确地决定。我国学者在试验 的基础上，提出管涌土的破坏临界坡降和允许坡降范围值，见表3-4。共六十八页表3- 4 发生管涌的水力(shul)坡降范围水力坡降 i连续级配土不连续级配土破坏临界坡降 icr0.20.40.10.3允许坡降 i 0.150.250.10.2共六十八页3.5.4 渗透破坏(phui)的其他类型除上述流土和管涌外，还有不同土层间的接触渗透破坏。包括：水从细粒土层垂直(chuzh)流向粗粒土层时可能引起的接触流土，以及在两层土间沿层面方向渗流时可能引起的接触冲刷。另外，在某些地区分布着所谓“分散性土”，它们一般属于粉土或粘土，但土粒在饱

17、和状态下的连接很弱，在渗流作用下极易冲蚀，其破坏类似于管涌。共六十八页3.5.5 渗透(shntu)破坏的防治减少可能发生渗透破坏的土体中的水力坡降对于防止任何形式的渗透破坏都是有效的。具体方法是一般在上游设置垂直防渗或水平防渗设施。垂直防渗有地下连续墙、板桩、齿槽、帷幕灌浆等。水平防渗是上游不透水铺盖。这些方法在水利工程中是经常采用的，其原理是增加渗径，从而(cng r)减少水力坡降。 在下游防止流土的措施有两种。一是设置减压沟、减压井，贯穿上部弱透水层，使局部较高的水力坡降降下来。如在图3-14中，一旦将堤后粘土层打穿并充填沙石，则水力坡降在砂土和充填料中比较均匀地分布，局部水力坡降将大大

18、减少，就不会发生流土破坏。另一种方法是在弱透水层上加盖重，这种盖重可以是弱透水土层，它可以增大渗径，减小水力坡降。如在长江堤防背水面的原沟塘中，用水力充填法填平，使弱透水层厚度增加。用透水土层作盖重也很有效，如例题3-5在粘土层上分别设置粉土和砂土，就有效制止了流土。共六十八页措施(cush)防治管涌的措施(cush)是改变土粒的几何条件，亦即在渗流逸出部位设置反滤层。反滤层一般由13层级配均匀的砂砾组成，各层之间均保证不让下一层中的细粒土从上一层的粗粒土中被带出。随着土工合成材料的发展，用土工布、土工网垫等材料作反滤层，防止细粒土被带出也很有效，并且施工简便，造价也降低了。 防治渗透破坏的控制措施一般原则是上挡下排。亦即在高水头一侧采取防渗措施；在低水头一侧或渗流逸出侧采用排水措施。具体方法宜根据当地土质、材料和其他条件正确合理