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1、第第3章章 土中水的渗透规律土中水的渗透规律主要内容主要内容l概 述l达西渗透定律l渗透系数的测定l成层土的渗透系数l影响土渗透性的因素l渗透作用对土的影响第第1节节 概述概述l渗透渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。l土具有被水透过的性能称为土的渗透性渗透性。l土的渗透性问题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的稳定性或产生有害变形的问题。l一、渗透模型l对渗流作出的假设：1）不考虑路径的迂回曲折，2）不考虑土体中颗粒的影响l应符合以下要求：l1）在同一过水断面
2、，渗流模型的流量等于真实渗流的流量。l2）在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等l3）在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等第二节第二节 达西定律达西定律l1、渗透速度vl由于过水断面w实际上是试样的横截面积，并非真实的过水断面，因此渗透速度v实际上为假想平均流速，并非真实平均流速。l2、水力坡度il水力坡度水力坡度的物理意义是沿渗透途径水头损失与相应渗透长度的比值。水头损失是由于水质点运动中为了克服水质点之间的摩擦阻力而消耗了机械能，因此水力坡度是水流通过单位渗透途径为克服摩擦阻力所消耗的机械能。l二、达西渗透定律l由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动
3、时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。l著名的达西渗透定律： 渗透速度： 或渗流量为：l渗透系数Kl渗透系数渗透系数是表征含水层透水性能的重要参数。其大小同时与岩石空隙的性质和渗流液体的物理性质有关。l透水率透水率：也表征含水层透水性能，但其只决定于岩层的空隙性质，而与渗流液体的物理性质无关。达西渗透定律的适用条件lDarcy定律只适用于层流条件，一般中砂、细砂、粉砂等细粒土中水的流速满足层流条件，而粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土中水流速较大，是紊流而不是层流，故不适用达西定律。l在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性，粘土中自由水的渗流受到结合
4、水的粘滞作用产生很大阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。故粘土中的渗透规律必须将达西定律进行修正。第第3节节 渗透系数的测定渗透系数的测定l渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标。l一、实验室内测定渗透系数l就原理而言，可分为：常水头试验和变水头试验。l（一）常水头法 是在整个试验过程中，水头保持不变。一、实验室内测定渗透系数常水头试验装置（二）变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。 第四节 成层土的渗透系数l天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平
5、行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。平行于层面的渗透系数Kh：各土层的水头梯度相同，总的流量等于各土层流量之和，总的面积等于各土层面积之和。l每一分层的单宽流量为：l总的单宽流量为：l或 垂直于层面的渗透系数Kv：总的流量等于每一土层的流量，总的面积与每层的面积相同，总的水头损失等于每一层的水头损失之和。第五节第五节 影响土的渗透性的因素影响土的渗透性的因素l一、土的粒度成分及矿物成分：细粒含量愈多，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。土的渗透系数就会大大减小。l二、结合水膜的厚
6、度：粘性土中的结合水膜较厚，粘性土中的结合水膜较厚，会减小土的孔隙，降低土的渗透性。会减小土的孔隙，降低土的渗透性。l三、土的结构构造：土的成层构造使土的各向渗透性土的成层构造使土的各向渗透性不同。不同。l四、水的粘滞度：动力粘滞系数随水温发生明显的变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，土的渗透系数则化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。愈大。l五、土中气体：土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的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。渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。第第6节节 渗透作用对土的影响
7、渗透作用对土的影响l渗流所引起的稳定问题：1)局部稳定问题，又称为渗透变形问题；2)整体稳定问题。应该指出，局部稳定问题如不及时加以防治，同样会酿成整个建筑物的毁坏。一、渗流力的概念一、渗流力的概念l水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。自然，水流在拖曳土粒时将给予土粒以某种拖曳力，我们将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗透力。渗透力。l总渗透力：Lh1h2hAw h1 A= w h2A +JJ=wh1A-wh2A=w(h1 - h2)A=whAl单位体积渗透力：GD=J/(AL)=whA/(AL) =w ij 渗透
8、力，KN/m3；i 水力坡度；w 水的重度,KN/m3l渗透力为体积力以孔隙水为研究对象以孔隙水为研究对象l渗流力GD大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致，是体积力，其量纲为KN/m3二、渗透变形l（一）渗透变形的形式l渗透变形可分为：流砂和管涌两种基本形式。l流砂流砂：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。l管涌管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管
9、涌） 1.流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土在渗流作用下，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、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淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒在渗流作用下，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的孔隙，发生移动并被带出的现象 土
10、体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，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.流土与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配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
11、般不出现管涌而只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发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况: :1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，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（此时细料含量如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料
12、含量约为约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象生流土现象l（二）土的临界水力梯度l土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。 以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，称为临界水临界水力梯度或抗渗梯度力梯度或抗渗梯度. 1、流土型土的临界水力梯度l当竖向渗流力等于土体的有效重量时， 土体就处于流土的临界状态，即 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数系数Fs(23)，作为允许水力坡降，作为允许水力坡降i。设计时，为保设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允证建筑物的安全
13、，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降许坡降i内内l2、管涌型土的临界水力梯度l管涌土的临界水力梯度可通过试验来测定。l与土的颗粒大小及其级配情况有关，一般而言，土的不均匀系数Cu越大，管涌现象越容易发生。渗流渗流工程问题与处理措施工程问题与处理措施 l一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 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筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透
14、力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细通常产生于粉细砂、粉土地层中砂、粉土地层中 3.流砂流砂 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。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、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埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 4.基坑突涌基坑突涌
15、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，这种现象称为坑底板，这种现象称为基坑突涌基坑突涌l二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施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水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游为原则，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，防止渗透变形变形 垂直截渗垂
16、直截渗 主要目的主要目的: :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均属于垂直截渗 设置水平铺盖设置水平铺盖 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 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，既可通畅水流，
17、又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用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 排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井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减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 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
18、在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 设置板桩设置板桩 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，减小水力坡降下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 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，砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘并同时进行挖掘 THE END FOR CHAPTER THREE
