《2.土的渗透性与渗透问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.土的渗透性与渗透问题（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 土的渗透性与渗透问题n2.1达西定律n2.2渗透系数及其确定方法n2.3渗透力与渗透变形n2.4渗流工程问题与处理措施主要内容土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透 过坝身流向下游H隧道开挖时，地下 水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透 2.1 达西定律n一、达西定律1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比渗透试验播放v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失 n二、达西定律适用范围与起始水力坡降 达西定律 讨论 ：砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要
2、克 服结合水的粘滞阻力 后才能发生渗透;同时 渗透系数与水力坡降 的规律还偏离达西定 律而呈非线性关系 ib起始水 力坡降虚直线简化达西定律适用于层 流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土2.2 渗透系数及其确定方法n一、渗透试验（室内 ）时间t内流出的水量1.常水头试验整个试验过 程中水头保持不变适用于透水性大（k10-3cm/s ）的土，例如砂土。 2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积a任一时刻t的水头差为h，经 时段dt后，细玻璃管中水位 降落dh，在时段dt内流经试 样的水量 dV=adh 在时段dt内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水
3、量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量 积 分 适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土 n二、影响渗透系数的因数 1.土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度 3.水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度 增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘 滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体 含量愈多，土的渗透性愈小。T、20分别为T和20时水 的动力粘滞系数
4、，可查表 n三、成层土的渗透系数 1.水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总和 达西定律整个土层与层面平 行的等效渗透系数 平均渗透系数2.垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量 垂直渗 透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2 、in，总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水 头损失之和 代入整个土层与层面垂直 的等效渗透系数 四、例题分析n【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为 30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0
5、.4cm ，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后， 观察得水位差为52cm，试验时的水温为30，试求 试样的渗透系数 【解答 】已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积 h1=160cm，h2=52cm，t=900s 试样在30时的渗透系数 2.3 渗透力与渗透变形n一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1 h21L沿水流方向放置两个测压 管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h土粒对水流 的阻力应为 土样 面积根据牛顿第三定律，试样的总 渗流力J和土粒对水流的阻力 F大小相等，方
6、向相反 渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，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a bc渗透力方向与 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，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出2.临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降或在工程
7、计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2 3)，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全， 将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内n二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象 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 、淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒 的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带
8、出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 3.流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配 以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只 发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一 定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况: 1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只 要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料
9、含量 约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发 生流土现象三、例题分析n【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下 游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为 2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答 】临界水力坡降 由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏 允许水力坡降 2.4 渗流工程问题与处理措施 n一、渗流工程问题 1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建 筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土 颗粒受到冲刷，
10、将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细 砂、粉土地层中 3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑 物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。 通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖 、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 4.基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度 ，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁 基坑底板，这种现象称为基坑突涌n二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游 截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透 变形
11、 垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完 全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等 均属于垂直截渗 设置水平铺盖 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 粘土铺盖设置反滤层 砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而 产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也 可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 排水减压 粘性土 含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置 减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施 工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排 水沟、集水井，用抽水 设备将地下水从排水沟 或集水井排出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要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周 围布置一排至几排井点， 从井中抽水降低水位 设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地 下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流 砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水， 并同时进行挖掘
