第四章 土的渗透性与土中渗流

02:311土的渗透性及土中渗流当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。渗流：水在土体中流动的现象。渗透性：土具有被水等液体透过的性质。渗透研究的内容：1.渗流量。2.渗透变形(渗透破坏)3.渗流控制02:312土的渗透性及土中渗流水头：单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成：1.位置水头z2.压力水头u/w3.流速水头v2/2g达西定律一、土的渗透定律——达西定律（H.Darcy,1856）1.渗流中的总水头与水力坡降液体流动必须满足的条件：连续原理能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程)为了研究的方便，常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。h=z+u/w+v2/2g由于土中渗流阻力大，流速v在一般情况下都很小，可以忽略。02:313土的渗透性及土中渗流达西定律h=z+u/w02:314土的渗透性及土中渗流伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出：(1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全由总水头差决定。只有当两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。(2)由于土中渗流阻力大，故流速v在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。水力坡降由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即i=h/Li称为水力坡降，L为两点间的渗流路径，水力坡降的物理意义:单位渗流长度上的水头损失。02:315土的渗透性及土中渗流2达西定律达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即LhAQkAiQkiAQv写成等式为：上式称为达西定律。式中，v－断面平均渗透速度，单位mm/s或m/day；k－反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力坡降i＝1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。02:316土的渗透性及土中渗流渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速认应大于v。一般称v为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:Vs=v/n为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。渗透速度与实际平均流速02:317土的渗透性及土中渗流达西定律的适用范围达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用。02:318土的渗透性及土中渗流3渗透系数的测定和影响因素渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。(1)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。实验室测定法目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。现场测定法现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。02:319土的渗透性及土中渗流常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。变水头试验适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确测定。02:3110现场测定法－抽水试验试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2=？优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长现场抽水试验r抽水量Qr1r2h1h2井不透水层dhdrh地下水位≈测压管水面02:3111影响渗透系数的因素(1)土的粒度成分(粒径大小与级配)和矿物成分的影响；(2)土的结构；(3)土中气体的影响；（4）渗透水的性质对渗透系数的影响。水的性质对渗透系数k值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低，k值变大：反之k值变小。02:3112土的渗透性及土中渗流土的渗透系数范围土的类型渗透系数k(cm/s)砾石、粗砂a×10-1~a×10-2中砂a×10-2~a×10-3细砂、粉砂a×10-3~a×10-4粉土a×10-4~a×10-6粉质粘土a×10-6~a×10-7粘土a×10-7~a×10-1002:3113土的渗透性及土中渗流(一)水平向渗流水平渗流的特点：(1)各层土中的水力坡降i＝(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。(2)垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量之和，即niixxxxxqqqqq1321将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：iniixHkHk1102:3114土的渗透性及土中渗流(二)竖直向渗流竖直渗流的特点：(1)根据水流连续原理，流经等效土层的单位渗水量等于各土层的单位渗水量，即(2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和，即将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：123qqqqniihhhhh1321niiizkhHk102:3115土的渗透性及土中渗流渗透力和渗透变形(一)渗透力实验验证当h1＝h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生，贮水器向上提升，使h1＞h2，由于存在水头差．土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之．渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用j表示。02:3116土的渗透性及土中渗流取土—水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力：(1)土—水总重量W＝satL；(2)土柱两端的边界水压力whw和wh1；(3)土柱下部滤网的支承反力R。在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中不出现。方法一水、土受力分析02:3117土的渗透性及土中渗流把土骨架和水分开来取隔离体。作用在土骨架隔离体上的力：(1)土粒有效重量W’＝’L；(2)总渗透力J＝jL,方向竖直向上；(3)下部支承反力R。方法二作用在孔隙水隔离体上的力：(1)孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。Ww＝Vvw+VSw＝wL(2)土柱两端的边界水压力whw和wh1；(3)土柱内土粒对水流的阻力，其大小应和渗透力相等，方向相反。则总阻力J’＝j’L。水、土受力分析02:3118土的渗透性及土中渗流考虑水体隔离体的平衡条件，可得：iLhLLhhjhLjLhhJwh)(11'1'故渗透力j=j’=wi渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。渗透力的计算用土—水整体隔离体推导临界水力坡降？02:3119渗流力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗流力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗流力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出02:3120土的渗透性及土中渗流若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。土体处于流土的临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土时，土柱压在滤网上的压力R＝0，故W’-J-R＝0即’L-jL＝0所以’＝j＝wic从而ic＝’/w上式中的ic为临界水力坡降，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。临界水力坡降02:3121土的渗透性及土中渗流已知土的浮容重’eGws1)1('则ic为eGisc11式中Gs、e分别为土粒比重及土的孔隙比。由此可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质。02:3122土的渗透性及土中渗流土的渗透变形(或称渗透破坏)土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形(或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现集中渗流通道等。(一)渗透变形的类型土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。1.流土在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小，都会发生流土破坏。02:3123流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、粉土等较易发生流土破坏02:3124土的渗透性及土中渗流2.管涌在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动．以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加．较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。管涌发生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象。02:312502:3126土的渗透性及土中渗流渗流破坏类型的判别土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒组成和结构,即几何条件；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。1.流土可能性的判别任何土，包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。可按下列条件，判别流土的可能性：若iic土体处于稳定状态iic土体发中流土破坏i=ic土体处于临界状态02:3127土的渗透性及土中渗流级配良好的土和级配不良的土哪一种土易发生管涌?管涌可能性的判别土是发生管涌，首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外）。只会发生流土而不会发生管涌，故属于非管涌土；无粘性土中产生管涌必须具备下列两个条件。(1)几何条件一般Cu10土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。(2)水力条件渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力坡降表示。流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。02:3128土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施流砂现象防治原则：1）减小或消除水头差原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水02:3129土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施2）增加渗流路径钢板桩02:3130土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径粘土铺盖02:3131土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施3）在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力4）土层加固处理02:3132土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施防治管涌措施：1）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。2）改变几何条件•反滤层土的渗透性及土中渗流渗透破坏的防治措施02:3133渗透破坏的防治措施土的渗透性及土中渗流•蓄水反压02:3134土的渗透性及土中渗流二维渗流与流网工程上遇到的渗流问题，常常属于边界条件复杂一些的二维或三维渗流问题。例如闸坝下透水地基的渗流，以及土坝坝身的渗流等，其流线都是弯曲的，不能再视为一维渗流。这时，达西定律也需用微分方程形式来表达。为了求解和评价渗流在地基或坝体中是否造成有害的影响，需要知道整个渗流场中各处的测管水头、渗透坡降和渗流速度。通常按平面渗流问题处理。02:3135渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：0zvxvzx