第二章 土的渗透性及水的渗流.ppt

第二章 土的渗透性及水的渗流,土的渗透性：,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。,这种土体被水透过的性能，称为土的渗透性,(permeability),。,水透过土体孔隙的现象称为,渗透。,渗透结果：,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。,意义：,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,.,水的问题,水的问题,指在工程中由于水本身引起的工程问题，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，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化引起的问题。,土的问题,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。,2.1,土的渗透定律,一、土中渗流的总水头与水力梯度,土中一点的,总水头,由三项组成：势水头,z,、静水头,hw,和动水头,hv,，即：,由于水在土中渗流的速度一般很小，,hv,0,，因此,式中,u,为该点的静水压力,2026/1/22 周四,A,、,B,两点的总水头分别表示为：,A,、,B,两点间的总水头差：,h,代表单位重量液体从,A,点向,B,点流动时，为克服阻力而损失的能量。,水力梯度,:,水力坡降,i,的物理意义为单位渗流长度上的水力损失。,L,为,A,、,B,两点间的渗流途径。,例,2-1,如图，求,1.a-a,、,b-b,、,c-c,静水头和总水头。,2.a-a,至,c-c,a-a,至,b-b,b-b,至,c-c,的水头损失；,3.,水在土样中渗流的水力梯度。,解,取,c-c,为基准面,1.z,a,=15+5=20cm,h,wa,=10cm,h,a,=,z,a,+h,wa,=30cm,z,c,=0,h,wc,=5cm,h,c,=,z,c,+h,wc,=5cm,a-a,至,c-c,水头损失,h,ac,=h,a,-,h,c,=25cm,h,b,=h,c,+5,h,ac,/(15+5)=11.25cm,Z,b,=5,h,wb,=,h,b,-z,b,=6.25cm,2.a-a,至,c-c,水头损失,h,ac,=h,a,-,h,c,=25cm,a-a,至,b-b,水头损失,h,ab,=h,a,-,h,b,=18.75cm,b-b,至,c-c,水头损失,h,bc,=,h,b,-h,c,=6.25cm,3.i=,h,ac,/(15+5)=25/20=1.25,二、达西定律,(Darcy,s law),水在土中渗流的速度,v,与水力梯度,i,成正比：,或：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。,v,断面平均渗透速度，,单位,m/s,或,m/d,；,k,土的渗透系数,单位同,v,.,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。,流速与水力梯度的关系,砂土,适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土，,很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。,单位时间流过土截面,A,的水量,q,流速与水力梯度的关系,粘土,对于密实的粘土，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,i,b,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,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,例,2-2,如图，,已知：土样面积,A=300cm,2,k,1,=0.025cm/s,k,2,=0.15cm/s,求,:i,1,和,i,2,和,q,解：,总水头损失,h=,h,1,+h,2,40cm,又,v1=v2,k,1,h,1,/L,1,=k,2,h,2,/L,2,h,1,=30cm,h,2,10cm,i,1,=1.5,i,2,0.25,q=,kAi,=11.25cm,3,/s,2026/1/22 周四,2.2,渗透系数及测定,一、渗透系数的意义及影响因素,渗透系数,k,可用着评价土渗透性大小的指标：,k,值大，说明土的渗透性强，即易透水；,k,值小，说明土的渗透性弱，即不易透水。,各种土的渗透系数经验值见,P42,表,2-1,。,2026/1/22 周四,渗透系数的影响因素：,（,1,）土的性质对,k,值的影响,粒径大小与级配：影响最大。,孔隙比或孔隙率：影响最大。,矿物成分：可交换的,Na+,越多，渗透系数越大。,结构：凝聚结构比分散结构有更大的透水性。,饱和度：随饱和度的增加而增大。,（,2,）渗透水的性质对,k,的影响,温度高，水的粘滞性降低，,k,变大，故规定,k,值以,20,为标准,。,2026/1/22 周四,二、成层土的平均渗透系数,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渗透系数，作为进行渗透计算的依据。,与土层层面平行的,X,方向,k,x,由总流量等于各土层流量之和求得：,与土层层面垂直的,y,方向,k,y,由流经各土层流速相等求得：,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于,最不透水土层的厚度和渗透性,三、渗透系数的室内测定,渗透系数不能用理论方法求得，只能通过试验确定。,测定,k,值室内方法：定水头法、变水头法。,（,1,）定水头法,保持总水头差,h,不变，在,t,时间内，量得透过土样的水量为,Q,，求,k,：,根据达西定律,适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂,L,h,注水,dh,h,h,1,h,2,L,（,2）变水头渗透试验：,在时间,dt,内，细管中的水面下降,dh,则流经土样的水量,Q=,adh,据达西定律，流经土样的水量,Q=,Avdt,=,AK(h,/L),dt,-,adh,=,AK(h,/L),dt,经时间,t,后，水头由,h1,下降为,h2,，则积分后可得：,k=,aL,/,（,At）（h,1,/h,2,）,(2-17),适用于,:,渗透性较差的粘砂土、细砂、粉砂等。,四、渗透系数的原位测定方法,-,现场抽水试验,对于粗颗粒土层，要取出原状土样是很困难的，这时可采用现场抽水试验测定渗透系数。,试验步骤：,在现场打一口试验井，,并安装好抽水机具；,距井中心,r,1,、,r,2,处打两个,观测水位的观测孔；,在井内不断抽水，并观测,两个观测孔水位高度,h,1,、,h,2,，,同时记录单位时间内的排水量,q,。,则,渗透系数,k,:,2.3,渗透力及临界水力梯度,一、渗透力,渗透力,：水是具有一定黏滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，综合形成的作用于土骨架的力，即渗透力。,在水头差,h,作用下，水自上向下渗流，若水力梯度为,i,，单位土体积所受的渗透力为：,渗透力的作用方向与渗流方向一致！,水在土中流动,能量消耗,力图拖曳土粒,水头损失,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,1,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,2,点，,3,点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利,4,点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利,2026/1/22 周四,二、临界水力梯度,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,.,当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力等于土样浮度，即,因此，若土中水向上渗流：,若,i,i,cr,，会发生流土破坏，即“管涌”；,若,i,=,i,cr,，流土处于临界状态，即“悬浮”；,若,i,i,cr,，不会发生流土破坏。,粘土层,细砂层,例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关物理力学性质指标如下：,试求渗透水流的平均速度和动水力,(,渗透力,),，并判断是否会产生流砂现象？,分析：1,2,3 将动水力与细砂层的浮重度比较进行判断,例,2,5,三、土的渗透破坏,土,由于受渗流作用而发生的破坏。,其主要形式有流砂（流土）和管涌两种。,（1）流砂（或流土）：,当实际渗流的水力梯度大于或等于土的临界水力梯度时，土粒间的压力消失，土粒呈悬浮状态向上涌出的现象。,发生在渗流出口处，各种土中均可出现。具突发性。,（2）管涌（或潜蚀）：,土在渗透水流的作用下，水流把充填在粗颗粒间的细粒土带走的现象。,它可发生在渗流出口处，也可出现在土层内部。主要出现在无粘性土中。有一个发展的过程。,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起,管涌,只发生在水流渗出的表层,.,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,主要发生在砂砾土中。,破坏过程相对较长,.,导致结构发生塌陷或溃口,.,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,.,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,流土,管涌,管涌,渗透变形的防治措施,减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗,在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层垂直防渗,思路与方法,防治措施,1,、建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治,采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。,水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘井。,目前工程中也可采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。,2,、抽水井防止管涌的措施,通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。,反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。,管涌的治理,反滤倒渗,反滤围井,管涌的治理,蓄水反压,管涌的治理,作业题：,P54,：,2-6,，,2-9,补题,1,：什么是渗透力、临界水力梯度？,