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1、第4章 土的渗透性及渗透稳定Chapter 4 Permeability and seepage stability of soil,4.1 概 述 Section 1 Introduction 1. 土的渗透性（Permeability of soils）,土体中的渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。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,水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,2. 渗流引起的问题 (Problems induced by seepage) （1）渗漏 (Leakage) （2）渗透破坏
2、 (Seepage failure) （3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工 Impact consolidation, strength, stability of soils and project construction,渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,板桩围护下的基坑渗流,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,原地下水位,渗流时地下水位,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题： 1.
3、 渗透力？ 2. 入渗过程？,事故实例,渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程,渗透特性 变形特性 强度特性,土的渗透特性,4.2 土的渗透性Section 2 Permeability of soils,4.2.1 水头与水力梯度 Water head and hydraulic gradient 1. 水头及其类型（Water head and its types） (1) 位置水头 Elevation head z (2) 压力水头 Pressure head (3) 流速水头 velocity head
4、 (4) 总水头 Total head,(4-1),2. 水力梯度（Hydraulic gradient） 4.2.2 达西定律 Darcys law 1. 达西定律的内容 砂土中的渗透流量 Q 与水头差 (h1-h2) 成正比， 与渗径 L 成反比,(4-5),图4-2 达西砂土试验装置,(4-6, a),引入水力坡降，则上式可改写为： Q = kiA 上式还可写为： 式中，k 称为土的渗透系数 (Coefficient of permeability) (cm/s)。,(4-7),(4-6, b),2. 达西定律的适用范围 (Applicable scope) （1）粗粒土小于临界流速 (
5、Critical velocity) Vcr（图4-3） （2）密实粘土大于起始水力坡降 (Incept hydraulic gradient) ib（图4-4）,达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关 渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day 渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,达西定律的适用范围,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流
6、不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区,4.2.3 土的渗透系数及其测定 Permeability coefficient of soils and its measurement 1. 渗透系数的物理意义 (Physical meaning) 2. 坝基土层渗透性分类 （1）强透水层 (Strong permeable layer) (k10-110-2 cm/s) （2）中等透水层 (k10-210-4 cm/s) Moderate permeable layer （3）相对不透水层 (k10-410-7 cm/s) Relati
7、ve impermeable layer 3. 室内渗透试验 (Permeability test in door) （1）常水头 粗粒土 Constant head permeability test for coarse-grained soil,(4-9),变水头试验仪,常水头试验仪,变水头试验仪,常水头试验仪,变水头试验仪,常水头试验仪,（2）变水头 细粒土 Falling head permeability test for fine-grained soil 两边积分，得,(4-10),(4-11),室内试验方法小结,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=con
8、st,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,渗透系数的测定方法,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,室内试验方法 野外试验方法,4. 现场渗透试验 (Permeability test in site) （自学） （1）抽水法 (Pumping test) （2）注水法 (Water injection test) 5. 经验估算法 (Empirical estimate formula) 常见的渗透系数的经验计算公式见P73表41。 常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表42。,4. 现场渗透试
9、验 (Permeability test in site) （自学） （1）抽水法 (Pumping test) （2）注水法 (Water injection test) 5. 经验估算法 (Empirical estimate formula) 常见的渗透系数的经验计算公式见P73表41。 常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表42。,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,4.3 渗流作用下的应力状态Section 3 Stress state under s
10、eepage,4.3.1 静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a) Effective stress and pore water pressure in static water 4.3.2 稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力 Effective stress and pore water pressure in case of stable seepage 1. 向下渗流的情况 (图4-8(b) Case of seepage downwards,由试样22截面的受力平衡 (Static equilibrium) 得：,(4-16),(4-17),由有效应力原理得： 2. 向上渗流
11、的情况（图4-5 (c)） Case of Seepage upwards 由有效应力原理得：,(4-17, a),(4-17, b),3. 结论 (Conclusions) （1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示 （2）有效应力状态与渗流作用的方向有关,4.4.1 渗透力 (Seepage force) 1. 总渗透力 (Total seepage force) 2. 渗透力 j 3. 有效应力状态的两种表示方法 （1）试样的浮重度与土骨架所受的渗透力 j表示,(4-18),(4-17, c),4.4 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability
12、of soils,渗透变形（Seepage failure）,（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)） 4.4.2 渗透破坏的形式 (Types of seepage failure) 1. 流土 (Heaving, Boiling)（图4-9 (b)） 2. 管涌 (Piping) （图4-9 (a)） 3. 接触流失 (Contact lose) 4. 接触冲刷 (Contact scouring),图4-9,渗透变形 - 流土,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,
13、渗流,渗透变形 管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道,渗流,过程演示,1. 在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2. 孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3. 形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,4.4.3 渗透破坏的判别 (Judgement) 1. 粘性土和均匀砂 流土 Cohesive soil and uniform sand 2. 级配不连续的砂砾石 Discontinuously graded s
14、andy gravel （1）填料含量 (Filling content)35%流土 （3）填料含量 (Filling content)2535%过渡型 (Transition type) 3. 级配连续的砂砾石 Continuously graded sandy gravel,（1）平均孔隙直径D0可流动填料直径d5管涌 Mean void diameter Flowable filling diameter d5Piping （2）平均孔隙直径D0可流动填料直径d3流土 （3）平均孔隙直径D0介于可流动填料直径d3 d5之间过渡型 4.4.4 渗透破坏的临界坡降 Critical hydr
15、aulic gradient of seepage failure 1. 流土 (Boiling)(图4-10) 当 时， 代入式（4-17，b）得,(4-19),(4-20),粘性土发生流土破坏的经验临界坡降 (Experiential values) 0.81.2 允许抗渗坡降 i: 一般砂土=0.40.5；细粒含量大于35%砂砾料0.50.8 Allowable seepage resistant gradient 实际允许坡降较大，粘性土可达46,(4-21,a),(4-21,b),（1）icr 是 Cu 的函数（图4-11(a)） （2）icr 决定于细粒填料的含量（图4-11(b)
16、） 砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。,(4-23),2. 管涌 (Piping),图4-11,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许坡降,i icr :土体处于稳定状态,i = icr :土体处于临界状态,i icr :土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,管涌可能性的判别,较均匀土 （Cu10）,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的 孔隙小于
