土的渗透性及水的渗流

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1、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)。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 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

2、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 . 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流水的问题水 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

3、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 。

4、 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流土的问题土 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

5、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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 VW hhzh wW uzhzh 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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的

6、 渗 流 2021-5-16 AAA uzh BBB uzh BA hhh 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 。Lhi 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流例 2-1 如 图 ， 求 1.a-a、 b-b、 c-c静水 头 和 总 水 头 。 2.a

7、-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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流解 取 c-c为 基 准 面1.za=15+5=20cm hwa=10cm ha=za+hwa=30cm zc=0 hwc=5cm hc=zc+hwc=5cm a-a至 c-c水 头 损 失 h ac=ha-hc=25cm hb=hc+5 hac/(15+5)=11.25cm Zb=5 hwb=hb-zb=6.25cm 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流2.a-a至 c-c水 头 损 失 hac=ha-h

8、c=25cm a-a至 b-b水 头 损 失 hab=ha-hb=18.75cm b-b至 c-c水 头 损 失 hbc=hb-hc=6.25cm 3.i= h ac/(15+5)=25/20=1.25 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流lhkkiv 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/

9、d；k 土 的 渗 透 系 数 单 位 同 v. 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流砂 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 qkiAvAq 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流流 速 与 水 力 梯 度 的 关 系 粘土对于密实的粘土，由于吸着水具

10、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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 0iikv 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。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流流 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

11、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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流例 2-2 如 图 ，已 知 ： 土 样 面 积 A=300cm2,k1=0.025cm/s,k2=0.15cm/s,求 :i1和 i2和 q 解 ： 总 水 头 损 失 h= h1+ h2 40cm 又 v1=v2k1 h1/L1=k2 h 2/L2 h1=30cm, h2 10cmi1=1.5, i2 0.25q=kAi=11.25cm3/s 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 2021-5-16 2.2渗 透 系 数 及

12、 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。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 2021-5-16 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

13、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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 2021-5-16 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

14、 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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 mj jjx HkHk 11与 土 层 层 面 平 行 的 X方 向 kx由 总 流 量 等 于 各 土 层 流量 之 和 求 得 ： mj jjy kHHk 1与 土 层 层 面 垂 直 的 y方 向 ky由 流 经 各 土 层 流 速 相 等求 得 ： 与层向平行的平均渗透系

15、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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流三 、 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 LhkkiAtQv . htA LQk L h注 水 第 二 章 土 的

16、渗 透 性 及 水 的 渗 流dh h h1h 2L （ 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=a dh据 达 西 定 律 ， 流 经 土 样 的 水 量Q=A v dt =A K (h/L) dt -a dh= A K (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/h2） (2-17)适 用 于 :渗 透 性 较 差 的 粘 砂 土 、 细 砂 、粉 砂 等 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流四

17、 、 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 。 )( )lg(3.2 2122 12hh rrqk 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 r1、 r2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 h1、 h2，同 时 记 录 单 位 时 间 内 的 排 水

18、量 q。 则 渗 透 系 数 k: 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 ij w 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

19、 致 ！ 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流水 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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及

20、水 的 渗 流 2021-5-16 二 、 临 界 水 力 梯 度 wcrw iij , 得 临 界 水 力 梯 度 ： l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 iicr， 会 发 生 流 土 破 坏 ， 即 “ 管 涌 ” ； 若 i=i cr，

21、流 土 处 于 临 界 状 态 ， 即 “ 悬 浮 ” ； 若 iicr， 不 会 发 生 流 土 破 坏 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 粘 土 层细 砂 层m5.5 m0.3smmk mknsat /105.4 /7.18 2 3 m10kiv 2 iJ w J 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流三 、 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

22、 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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗

23、 流流土与管涌的比较 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

24、 渠 道 开 挖 时 所 出 现的 流 砂 现 象 是 流 土 的 一 种 常 见形 式 . 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流粘 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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流流 土 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流管 涌 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流管 涌 第 二 章 土 的 渗

25、 透 性 及 水 的 渗 流 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流渗 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 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流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

26、 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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流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 。 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流管 涌 的 治 理 反 滤 倒 渗 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流反 滤 围 井管 涌 的 治 理 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流蓄 水 反 压管 涌 的 治 理 第 二 章 土 的 渗 透 性 及 水 的 渗 流作 业 题 ： P54： 2-6， 2-9补 题 1： 什 么 是 渗 透 力 、 临 界 水 力 梯 度 ？