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1、第三章：土的渗透特性及渗透稳定土中水运动规律土的渗透性。渗透：水透过土体孔隙的现象。渗透性：土允许水透过的性质称为土的渗透性。 土石坝坝基坝身渗流、板桩围护下的基坑渗流、水井渗流、渠道渗流。达西定律水在土中的渗透速度与土的水力梯度成正比v=ki (水力梯度i,即沿渗流方向单位距离的水头损失) 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。达西定律适用于层流，不适用于紊流。1常水头试验一一整个试验过程中水头保持不变。适用于透水性大(k10-3:m/s)的土，例如砂土。Q = qt = vAt = kiAt = k At n k =L
2、hAt2变水头试验一一整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。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dQ=adh在时段dt内流经试样的水量dQ=k.I.A.dt=k.A.h/L.dt管内减少水量=流经试样水量一a.dh=k.A.h/L.dt分离变量，积分7 aL 1 hk =In iA(t t) h2 1 23现场抽水试验一一单一土层可以取样在室内测定，实际上土体都是成层的，有时室内测定结果很难代表现场实际， 这时亦可采用现场测试方法确定k值。根据井底土层的情况此井可分为完整井(井底位于不透水层)和非完整井(井 底位于透
3、水土层)两种类型；假设抽水孔钻至不透水层层面，属于完整井。钻孔一一1个抽水孔，12个观测孔， 开始抽水！在At时间内，抽水量为Q,并在土中形成一个降落漏斗，假定在任一半径处，水头梯度为常数，即i=dh/dr，任一 点的过水断面为 2.n .r.h。Q=k.i.A. t=k.(dh/dr).A. t=k.(dh/dr).(2.n .r.h). ti = AL4水平渗流层状地基的等效渗透系数.AhV条件：i = i = q = qj L x jx等效渗透系数：q = V H = k - i - H，H = V HV q =Vjxk i H = i工k H 即得：k =丄 2 k H f jr jj
4、jj jx Hjj常水头x xx变水头截面面积a 港Q J r2= k 2 r 丫上 h - dhfQ，inh1r2 = k 兀At （h2 一 h2）k =r21Q ln2 兀At （h2 一 h2）r21 1竖直渗流抽水量Q现场抽水水平渗流t2观测孔A2 Ahqix口3Z k1A.1k2k3.2不透水层IIAh成层土渗透系数k1k2k3承压水H1A.H2A 3 VH2H1H3H3H2k1k2k3四、竖直渗流层状地基的等效渗透系数条件：V. = vjAh 二工 AhjH二工Hj等效渗透系数k :zvH= j因为Ah二 kjvHkzAh =工Ah推出jvHkj11 y hn =卜 n kkH
5、kzzj6成层土的渗透系数实际工程中均是成层土，其渗透分为竖向渗透和水平向渗透两种。a水平向渗流的平均渗透系数kX设各层土的渗透系数分别为k、k2、k3,层厚分别为斗、H2、H3 ,面积分别为片、F2、F3,流量为Q、Q2、Q3，总流量为Q,则Q1 = k.、. F.t, Q2 = k2.i2. F2.t, Q3 = k3.i3. F3.t水平向流动，各层土的水头梯度均相同，即i= i1 =i2 = i3 总截面面积 F= F1 + F2 + F3 ,总流量 Q= Q1 + Q2+Q3 即总流量 Q=kfa.i.F.t = f Ft + k2.i2 F2.t + 也右.F” 所以有:当宽度 ，
6、 相等时 kxZkHi ii=1b竖向渗流的平均渗透系数kz此时,总流量等于各层流量，即Q = Q1 = Q2 = Q3,总水头损失等于各土层水头损失之和;渗流面积相等:F = F = F2=F3, h=A h+A h + hQFT73,Q(H + H + H )123F.Ah. t F ,(Ah + Ah +Ah ) t(H + H + H )12 3H + H + H 11 2 3h H H1 +2 +3kT123k =zQ(H +H +H)123F (Q. H + Q H + Q H) tF ( 11 + 2_2 + I一3) tk F t k F t k F t112233影响渗透性的
7、因素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。3水的动力粘滞系数一一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土中封闭气体含量一一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。 动水力一渗透力、渗流力一一水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力GDG = J/V = Y wA h/L = Y w.Di渗透变形一一土工建筑物及地基由于渗流作用而
8、出现的变形或破坏。基本类型：流砂与管涌。 六、流砂：在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。Y W - V V d -1形成原因：W - G = 0 n i = i ， i =s *= s和土的密实度有关。Dcrcr 畀畀V1 + e(2)管涌：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。形成原因：内因一一有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙；外因一一渗透力足够大。流砂与管涌比较：现象：流砂土体局部范围的颗粒同时发生移动；管涌土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动。位置：流砂只发生在水流渗出的表层；管涌
9、可发生于土体内部和渗流溢出处。土类：流砂只要渗透力足够大，可发生在任何土中；管涌一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土。 历时：流砂破坏过程短；管涌破坏过程相对较长。后果：流砂导致下游坡面产生局部滑动等；管涌导致结构发生塌陷或溃口。防治措施：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，减小渗透压力，防止渗透变形。垂直截渗；设置水平铺盖；设置反滤层；排水减压。2)基坑开挖 防渗措施工程降水设置板桩水下挖掘。冻土在冰冻季节因大气负温影响，土中水分冻结形成冻土。季节性冻土一冬季冻结，夏季全部融化的冻土。 多年冻土一冻结状态持续三年或三年以上的土
10、层。冻土现象由冻结和融化两种作用所引起的一些独特的现象。 我国的冻土一一世界第三冻土大国，多年冻土占国土面积的23%，季节性冻土占国土面积的50%以上。一冻土现象冻胀现象一一土体冻结后形成冻土，水冻结后成冰；由于水结成冻的过程中体积要增大9%，所以当土体中参与冻结 的水份过多时，土体便发生体积膨胀，使地面隆起成丘，即冻胀现象。冻胀危害路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面折断、裂缝；建筑物抬起、开裂、倾斜、倒塌。冻融一在季节性冻土地区，春暖土层解冻融化后，土层上部积聚的冰晶体融化，使土中含水量增加，加之细颗粒 土排水能力差，土层处于饱和状态，强度大大降低的现象，即冻融。冻融危害（1）路基冻融，
11、车辆反复碾压下，轻者路面变松软，限制行车速度，重者路面开裂、冒泥，即翻浆， 使路面完全破坏；（2）房屋、桥梁、管涵发生大量下沉或不均匀下沉，建筑物开裂破坏。二冻胀机理粗粒土由于其含水量低，参与冻结的水份极少，结冻后只冻而不胀，一般不会对工程造成危害，细粒土则不然，由 于其本身含水量大、参与冻结的水份多，冻结后一般均会发生冻胀现象；粘性土本身带有负电荷，表面有弱结合水, 土粒表面的结合水分子在受到电分子引力作用的同时，还受布朗运动力作用；单向冻结后，土粒表面温度场不均匀, 有温差，水分子各分子间的运动能量出现差异（分子间的热运动所至，低温区能量不足，水分子运动速度变慢，高 温区水分子运动速度变快
12、。这样就会导致低温区弱结合水膜变厚、邻近其它部位变薄；未冻区弱结合水分子变少， 出现多余电场引力；如果冻结区离未冻结的地下水较近，地下水通过毛细作用逐渐向冻结区域附近补充成未冻的弱 结合水，弱结合水再冻结、再补充、循环后，就会在土中形成冰透晶体，导致土体体积再度增大一一隆起一一地面 开裂，春天，温度升高，土体融化，冰晶体消失，土中局部含水量过大，土体强度降低融沉。路基工程中，如不能及时将融化的水排走，碾压后，便会翻浆、冒泥，影响行车速度、导致路面破坏。1影响冻胀的因素a. 土的因素一一粗粒土只冻而不胀，只有细粒土，冻结时有水份迁移（冻结锋面离地下水较近），冻胀现象严重。粗 粒土中含有过多的细粒
13、土时，冻胀现象仍会发生。b. 水的因素c. 温度因素一一低温下才冻结，气温骤冷、冻结速度快、土中弱结合水及毛细水来不及向冻结区转移，就在原位冻结 成冰，毛细通道也会被冰晶体堵塞，没有外来水份参与冻结，在土中看不见冻夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体, 此时，冻胀现象就较轻。2冻结深度及标准冻深各地区降温幅度不同，因而，冻深也不一样。即使是同一地区，由于环境条件不同，如城市中心地区存在较强的“热 岛效应”因而冻深就小，郊区就不存在，冻深就大。在地表无积雪、草皮覆盖条件下、空旷场地连续多年（不少于10年）实测最大冻深平均值称为标准冻深，一般用“Zo” 表示，其值由当地气象部门提供，可查表或图。土的工
14、程分类一一岩石，碎石土，砂土，粉土，粘性土，人工填土以及特殊土。按建地基规范一、岩石一一颗粒间牢固联接，呈整体或具有节理裂隙的岩体。二、碎石土土的粒径d 20mm的颗粒含量大于50%的土。三、 砂土粒径d 20mm的颗粒含量不超过全重的50%，且d0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。四、 粉土塑性指数Ip W 10，且d 0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。五、 粘土塑性指数Ip 10的土。六、人工填土一一由人类活动堆填形成的各类土。几类特殊土：一淤泥和淤泥质土一一在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成。淤泥一-e ; e 1.5淤泥L质土一一 %1.0e1.5。工程性质一一强度低，透水性低，压缩性大，为不良地基。二红粘土和次生红粘土一一红粘土为碳酸盐系的岩石经红化作用形成的高塑性粘土红粘土经再搬运后，仍保持其基 本特征，称为次生红粘土。强度高，压缩性低。粗粒土一般按粒度（颗粒级配）分类命名，粘性土按塑性指数分类，特殊土按其特定的工程性质分类，细粒土按塑 性图分类。低液限Wl28分类符号L；中液限28 Wl50分类符号M；高液限50 WL70分类符号H；很高液限 W
