1、土的渗透性 1第1页，共82页。一 概述v土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。这就是土中水的渗流。2第2页，共82页。渗透的定义及土的渗透性 v水透过土体孔隙的现象成为渗透 v土具有被水透过的性能称为土的渗透性v水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。v土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响 3第3页，共82页。水的问题v水的问题指在工程中由于水本身引
2、起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。也就是说，说自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化所引起的问题。4第4页，共82页。v 土的渗透在工程中具有重要的意义。在水利工程中，水的渗透会引起两方面的问题：一是渗漏问题；二是渗透稳定性问题。前者是研究因渗透引起的水量损失。而后者则是研究受渗流影响时的土体稳定性问题。在建筑工程中，深基坑开挖中的边坡及地基的稳定性、降水
3、设计和外力作用下饱和土的固结等都和土的渗透问题有关。本章将研究水在土中渗透的基本规律及渗流理论在工程中的应用问题。5第5页，共82页。土的问题v土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。6第6页，共82页。二 Darcy渗透定律 v由
4、于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比 hiLhkvkiAvAq7第7页，共82页。Darcy渗透定律vv 渗透速度（cm/s或m/s）vq 渗流量（cm3/s后m3/s）vi 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，无因次vh 试样两端的水位差，即水头损失vL 渗径长度vk 渗透系数（cm/s或m/s,m/d）vA 试样截面积（cm2或者m2）8第8页，共82页。流速与水力梯度的关系砂土砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。9第9页，共82页。流速与水力梯度的关系粘土对于密实
5、的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度ib10第10页，共82页。v粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。流速与水力梯度的关系粘土0iikv11第11页，共82页。流速与水力梯度的关系砾土在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入
6、紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用 12第12页，共82页。注意v按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。v实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。他们之间的关系为 eevnvv113第13页，共82页。Darcy渗透定律的适用条件 v太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候才能适用。v根据水的密度，流速v，水的粘滞系数，土粒粒子平均粒径d，可以算出雷诺数RevdRe14第14页，共82页。Darc
7、y渗透定律的适用条件v从层流转换为紊流时的Re数一般为0.17.5的范围，而一般认为在土的孔隙内水流只要雷诺数10-1高渗透性纯砾与砾混合物10-310-1中渗透性极细砂10-510-3低渗透性粉土、砂与粘土混合物10-710-5极低渗透性粘土10-7几乎不透水 影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽力保持土的原始状态并消除人为因素的影响 26第26页，共82页。成层土的渗透系数v天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的平均
8、渗透系数，作为进行渗透计算的依据。27第27页，共82页。与层面平行的情况iHkqxxniiixHkHk11niixxqq1iiixiHkq niiixiHkq1达西定律28第28页，共82页。与层面垂直的情况29第29页，共82页。与层面垂直的情况AHhkqyyAikAHhkqiiiiiiynyyyyqqqq21水流连续原理达西定律任一土层流量iiyikHhkniiiykHHk1nnHiHiHih2211整个土层的水头损失30第30页，共82页。结论v对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相差悬殊时与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性与层向垂直的平均渗透系数将取决
9、于最不透水土层的厚度和渗透性31第31页，共82页。四四 饱和土中的应力和有效应力原理饱和土中的应力和有效应力原理1、土中两种应力试验、土中两种应力试验v有两个完全相同的量筒，如下图所示，并在这两个量筒的底部分别放置一层性质完全相同的松散砂土。v在甲量筒松砂顶面加若干钢球，使松砂承受的压力，此时可见松砂顶面下降，表明松砂发生压缩，亦即砂土的孔隙比e减小。v乙量筒松砂顶面不加钢球，而是小心缓慢地注水，在砂面以上高h处正好使砂层表面也增加的压力，结果发现砂层顶面并不下降，32第32页，共82页。v表明砂土未发生压缩，亦即砂土的孔隙比e不变。这种情况类似于在量筒内放一块饱水的棉花，无论向量筒内倒多少
10、水也不能使棉花发生压缩一样。v上述甲、乙两个量筒底部松砂都作用了的压力，但产生了两种不同的效果，反映出土体中存在两种不同性质的应力：由钢球施加的应力，通过砂土的骨架传递，这种骨架应力称为有效应力，用来表示；由水施加的应力通过孔隙中水来传递称为孔隙水压力，用u来表示。这种孔隙水压力不能使土层发生压缩变形。33第33页，共82页。2、有效应力原理、有效应力原理v在土体中某点截取一水平截在土体中某点截取一水平截面，其面积为面，其面积为A，截面上作，截面上作用应力用应力，为总应力。，为总应力。va-a截面是沿着土颗粒间截面是沿着土颗粒间接触面截取的曲线状截面，接触面截取的曲线状截面，在此截面上，土颗粒
11、接触面在此截面上，土颗粒接触面间作用的法向应力为间作用的法向应力为，各土颗粒之间接触面积之和，各土颗粒之间接触面积之和为为As；孔隙内的水压力为；孔隙内的水压力为u，面积为，面积为Aw；气体压力为；气体压力为ua，其相应的面积为，其相应的面积为Aa。v竖直方向平衡条件为：竖直方向平衡条件为：34第34页，共82页。v对于饱和土体，Aa=0，则上式变为v则 v由于颗粒间的接触面积As很小，根据毕肖普(Bishop)及伊尔定(Eldin)等人的研究结果，一般As/A0.03。因此，1-As/A 1。故上式变为v 上式中s As的是土颗粒间的接触压力 35第35页，共82页。vs As/A是土颗粒之
12、间接触压力的平均值，即为有效应力 ，则上式变为 v上式即为有效应力原理，它说明饱和土体承受的总应力 为有效应力和孔隙水压力之和。v有效应力为有效应力为：v有效应力公式的形式很简单，却具有重要的工程应用价值。当已知土体中某一点所受的总应力，并测得该点的孔隙水压力时，就可以利用上式计算出该点的有效应力 。uu36第36页，共82页。v有效应力在土力学中是一个最有实际意义的量，它将引起土颗粒的位移，使孔隙体积缩小，土体发生压缩变形，同时，有效应力有大小直接影响土的抗剪强度。因此，只有通过有效应力分析，才能准确地确定土工建筑物或建筑地基的变形与安全度。3、有效应力原理应用举例、有效应力原理应用举例v地
13、表水位高度变化时土中应力变化地表水位高度变化时土中应力变化如下图所示，地面以上水深为h1，试求地面以下深度h2处A点的有效应力。37第37页，共82页。v 作用在A点的竖向总应力为vA点的孔隙水压力为v则 v由此可见，当地面以上水深h1变化时，可以引起土体中总应力的变化，但有效应力 不会随h1的升降而变化，即 与h1无关，亦即h1的变化不会引起土体的压缩或膨胀。38第38页，共82页。v毛细水上升时土中有效自重应力的计算毛细水上升时土中有效自重应力的计算v设地基土层如下图示，地下潜水位在C线处。由于毛细现象，地下潜水沿着彼此连通的土孔隙上升，形成毛细饱和水带，其上升高度为hc。在B线以下、C线
14、以上的毛细水带内，土是完全饱和的。v在毛细水上升区，其水压力u为负值（因为静水压力值假定大气压力为零，即C线处静水压力为零，则在C线以上、B线以下的毛细水带内孔隙水压力为负值）。土中各点的总应力为，孔隙水压力以及有效应力 如下图所示。39第39页，共82页。v从上述计算结果可以看出，在毛细水上升区。由于表面张力的作用使孔隙水压力为负值，这就使土的有效应力增加；在地下水位以下，由于土颗粒的浮力作用，使土的有效应力减小。v土中水渗流时（一维渗流）有效应力计算土中水渗流时（一维渗流）有效应力计算v当地下水在土体中渗流时，对土颗粒将产生动水力，这就必然影响土中有效应力的分布。40第40页，共82页。v
15、下面，分三种情况，分析土中水渗流时对有效应力的影响：v第第，水静止不动，即a，b两点水头相等；v第第，a、b两点有水头差，水自上向下渗流；v第第，a、b两点有水头差，水自下而上渗流；v上述三种情况的总应力，孔隙水压力u及有效应力 值如下图所示。41第41页，共82页。42第42页，共82页。5 渗流力及渗透稳定渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动43第43页，共82页。渗透力hwLwhh200h1土粒渗流j图1-1 渗流破坏示意图1-2渗流力概念44第44页，共82页。渗流力的概念水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损
16、失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力45第45页，共82页。土体的受力分析 =+WWJJWW水土整体土骨架水体RRwhwwhwwh1wh1渗流时两种隔离体取法46第46页，共82页。把土骨架和水分开来取隔离体土柱内土骨架 上作用的力：土粒有效重量W=L 总渗透力J=jL 下部支反力 R土柱内土孔隙水隔离体上作用的力：L长水柱重量Ww=L w 水柱上下两端面的边界水压力，wHw 和wH147第47页，共82页。把土骨架和水分开来取隔离体 土柱内土粒对水流的总阻力 J=jL=J根据 水体隔离体的平衡条件：wHw+Ww+J=wH1 j=whL=wi=JJ 为单位体积的渗透
17、力,方向与渗流方向一致。48第48页，共82页。渗流力的概念v1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利v2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利v4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利49第49页，共82页。渗透变形的形式v按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式v流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。v基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式50第50页，共82页。土的渗透变形(或渗透破坏)v 土工建筑及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏
18、，典型的渗透破坏有两种v 流土v典型的流土破坏：当坝体建筑在双层地基上时，在下游坝脚处出现土表面隆起，砂粒涌出，以致整块土 体被渗透水流抬起的现象。vv砂沸：（cu10),地表出现小泉眼，冒气泡，颗粒发生浮动，跳跃。v流土的可能性判别：v若iicr,土体发生流土破坏；v若i=icr,土体处于临界状态；51第51页，共82页。流土52第52页，共82页。流土53第53页，共82页。管 涌 在渗透水流作用下，土中的颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动；最终在土体内形成贯通的渗流管道。管涌的可能性判别：v（1）几何条件：v土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的孔隙直径v（2）水力条件：v级配连续 icr
19、=0.2-0.4v级配不连续 icr=0.1-0.354第54页，共82页。管涌v管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。55第55页，共82页。管涌56第56页，共82页。管涌57第57页，共82页。管涌58第58页，共82页。管涌的治理v反滤倒渗59第59页，共82页。管涌的治理v反滤围井60第60页，共82页。管涌的治理v蓄水反压61第61页，共82页。整体破坏水库塌岸62第62页，共82页。按渗透变形划分土的类型管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不会发生管涌在不大的水力梯度下就可以发生管涌流土型管涌型63第63页，共82页。管涌
20、土的划分管涌土发展性管涌土非发展性管涌土管涌型土过渡型土流土型土非管涌土土64第64页，共82页。土的类型与渗透变形型式粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌65第65页，共82页。土的临界水力梯度v抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。此时土体处于流土的临界状态时的水力坡度icr.显然：W-J =R=0L-jL=0 icr=w66第66页，共82页。流土型土的临界水力梯度逸出处单位土体nGeGswws118.9118.9ijwjnGiscr11临界水力梯度67
21、第67页，共82页。流土型土的临界水力梯度nGiscr11 流土的临界水力梯度决定于土的物理性质，当土的比重和孔隙率已知时，则土的临界水力梯度是一定值，一般在0.81.2之间 根据竖向渗流不考虑周围土体的约束作用情况下推得的，因此，按此式求得临界水力梯度偏小，一般比试验值要小152068第68页，共82页。粘性土的临界水力梯度v粘性土由于粒间粘结力的存在，其临界水力梯度较大。v粘性土与无粘性土的流土破坏机理不同，后者是由于渗流力的作用，前者则还与土体表面的水化崩解作用（水稳性）以及渗流出口临空面的孔径有关。水科院建议对粘性土201179.01124CDnnniLcr69第69页，共82页。逸出
22、梯度与渗透稳定v流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。creii creii creii 土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态70第70页，共82页。逸出梯度与渗透稳定v渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。v在设计时，为保证建筑物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内LhiescreFiii71第71页，共82页。管涌型土的临界水力梯度v管涌是单个土粒在土体中移动和带出，水科院提出的管涌土临界水力梯度的计算公式为2052112.2ddnGiscrv根据渗流场中单个土粒收到的渗流力、
23、浮力以及自重作用时的极限平衡条件，并结合试验资料分析而得到72第72页，共82页。管涌土的临界水力梯度流速与水力梯度的关系73第73页，共82页。临界水力梯度与不均匀系数的关系v土的不均匀系数越大，临界水力梯度越小。v结论不是绝对的74第74页，共82页。临界水力梯度与细料含量的关系v渗透变形特性主要取决于细料的含量，或者说取决于细料填充粗料孔隙的程度。75第75页，共82页。临界水力梯度与渗透系数的关系v无粘性土的渗透性与渗透变形特性有着直接的关系，对于不均匀土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差，如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强76第76页，共82页。防止渗透变形的方法v减小水力梯度
24、（降水头，增加渗径）水平防渗v在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层 垂直防渗77第77页，共82页。6 二向渗流和流网特征一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的总水量02222yhxh78第78页，共82页。流网及其特征v渗流场中任一点的水头是其坐标的函数，因此求解渗流问题的第一步就是先确定渗流场中各点的水头，亦即求解渗流基本微分方程v满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线，一组称为等势线（各点水头相等），另一组称为流线（表示渗流的方向），等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网v只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合形式才是拉普拉斯方程的正确解答79第79页，共82页。流网及其特征v求解方法解析法数值法电拟法比较精确，但只有在边界条件简单的情况下才能求解有限差分法（FDM）有限单元法（FEM）电网络模拟边界条件比较复杂的渗流80第80页，共82页。典型流网分析接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小81第81页，共82页。流网特征v流线与等势线彼此正交v每个网格的长度比为常数，为了方便常取1，这时的网格就成为正方形或曲边正方形v相邻等势线间的水头损失相等v各流槽的渗流量相等82第82页，共82页。
