土的物理性质及渗透性

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1、,达西定律,4.2,土的渗透性,4.1,渗透系数的测定及影响因素,4.3,第四节 土的渗透性,4.1 土的渗透性概念,在饱和土中,水充满整个孔隙,当土中不同位置存在水位差时,土中水就会在水位能量作用下,从水位高(即能量高)的位置向水位低(即能量低)的位置流动。,渗透:液体(如土中水)从物质微孔(如土体孔隙)中透过的现象 渗透性(透水性):土体具有被液体(如土中水)透过的性质 渗流:液体(如地下水、地下石油)在土孔隙或其他透水性介质(如水工建筑物)中的流动问题 渗流力(渗透力):土中的渗流对土颗粒施加的作用力,4.1 土的渗透性概念,土的渗透性的主要研究内容包括:,渗流量问题:如基坑的渗水和排水

2、;土堤坝身、坝基土中的渗水量;水井的供水量或排水量。 渗透破坏问题:当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动,产生渗透变形,甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起,堤坝失稳等。 渗流控制问题:研究工程措施进行渗流控制,以满足渗流量或渗透变形的设计要求。,水在土体中的渗流的影响:,引起水量损失或基坑积水,影响工程进度和收益 引起土体变形,改变构筑物或地基的稳定条件,影响工程安全。,土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一,降雨入渗引起的滑坡,事故实例,4.1 土的渗透性概念,水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的,根据D.伯努利(1738)定理。,水头,式中: h总水头,m; v流速,m/s;

3、 g重力加速度,m/s2;p水压,kPa; w水的重度,kN/m3; z基准面高程,m,水在土中的渗流,速度很慢,因此由速度引起的水头项可以忽略。则,水头,速度,v,4.1 土的渗透性概念,A、B两点的水头差为:,水力梯度i:在含水层中沿水流方 向每单位距离的水头下降值。,在大多数情况下,土中水的渗流基 本处于层流状态,即,或,4.2 达西定律,层流:水在土的孔隙中是不规则运动的,但水在其中的流速很小,可视为层流,式中:q单位渗水量,cm3/s;v断面平均渗流速度,cm/s;i水力梯度或水力坡降;k土的渗透系数,cm/s,达西定律:在层流条件下,土中水渗流速度与能量(水头)损失之间服从线性渗流

4、规律,达西根据实验发现,单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比,且与土的透水性质有关,写成等式(达西定律表达式),达西定律,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土,需要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,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,4.2 达西定律,4.2 达西定律,公式中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,而土粒本身是不透水的,因此过水断面积Ar是小于整个断面积A,实际平均流速vr应大于v,一般v称为假想平均流速。,v与vr的关系可通过水流连续原理建立如下:,若均质砂土的孔隙率

5、为n,则Ar=nA,即得,以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速,4.3.1 渗透系数的测定,渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标,也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。测定方法有:室内和现场,1.室内渗透试验测定渗透系数,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(式中a表示细玻璃管的内截面积),dQ=adh,在时段dt内流经试样的水量,dQ=kiAdt=kAh/Ldt,管

6、内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,适用于透水性差,渗透系数小的粘性土,分离变量 积分,4.3.1 渗透系数的测定,4.3.1 渗透系数的测定,2.现场测定渗透系数,常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。 对于均质粗粒土层,现场测出的k值比室内试验得出的值要准确,q=kAi=2rhkdh/dr,qdr/r=2khdh,分离变量积分,现场测试方法还有:孔压静力触探、地球物理勘探等,4.3.2 渗透系数的影响因素,影响渗透系数的主要因素,(1)土的粒度成分,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,同种土在不同的密实

7、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。,(3)土的饱和度,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。,4.3.2 渗透系数的影响因素,影响渗透系数的主要因素,(5)水的温度,(4)土的结构,细粒土在天然状态下具有复杂的结构,一旦扰动,原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变,k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小,粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高,水的粘滞系数愈小,土的渗透系数则愈大。,(6)土的构造,土的构造因素对k值的影响也很大。如,在粘性土层中有很薄的砂土夹层的层理构造,会使土在水平方向的kh值比垂直方向

8、的kv值大许多倍。因此室内渗透试验采用土样的代表性很重要。,渗流的工程问题,5.2,动水压力与临界水力梯度,5.1,第五节 渗透的工程问题,5.1.1 动水压力的概念,动水压力:当地下水渗流时,对土颗粒骨架产生的压力,沿水流方向放置两个测压管,测压管水面高差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,其大小与水力梯度成正比,作用方向与渗流方向一致,单位为kN/m3,5.1.2 临界水力梯度,使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr,则,渗

9、流力 wi等于土的浮重度,临界水力梯度:,研究表明:土的不均匀系数越大,icr值越小;土中细颗粒含量高,icr增大;土的渗透系数愈大,临界水力梯度愈低。,在向上的渗流力的作用下,粒间的有效应力为零时,颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。,说明:流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小,同时与土的颗粒级配、密度及透水性等条件有关,5.2 渗流的工程问题概述,渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类: 一是由于渗流力的作用,使土体颗粒流失或局部土体产生移动,导致土体变形甚至失稳,主要表现为流砂和管涌; 二是由于渗流作用,使水压力或浮力发生变化,导致土体或结构物失稳,表现为岸坡滑动或挡土墙等构造

10、物整体失稳。,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浮重度,土粒将被水流冲出,5.2.1 流砂或流土现象,5.2.1 流砂或流土现象,流砂现象的防治原则,()减小或消除水头差,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,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,5.2.1 流砂或流土现象,流砂现象的防治原则,()增长渗流路径,沿坑壁打入板桩,它一方面可以加

11、固坑壁,同时增加了地下水的渗流路径,减小水力坡降,()平衡渗流力,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,()土层加固处理。如冻结法、注浆法等。,5.2.2 管涌和潜蚀现象,在水流渗透作用下,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,渗流速度不断增加,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。在自然界中这种现象叫潜蚀(分为机械潜蚀和化学潜蚀)。,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,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

12、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,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 孔隙小于细颗粒,不均 匀土 (Cu10),不连续,连续,d0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,d0 d5,d0 = d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,P(%),

13、lgd,骨架,充填料,发生管涌的必要条件:粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径,管涌现象的防治,()改变水力条件,降低水力梯度,如打板桩。(同流土),5.2.2 管涌和潜蚀现象,()改变几何条件,在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。,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,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,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,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,

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