1、2021/8/141第三章第三章 土的滲透性土的滲透性2021/8/1423-1 3-1 概概 述述滲透滲透：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差：由于土體本身具有連續(xù)的孔隙，如果存在水位差的作用，水就會(huì)透過(guò)土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。的作用，水就會(huì)透過(guò)土體孔隙而發(fā)生孔隙內(nèi)的流動(dòng)。土具有被水透過(guò)的性能稱(chēng)為土具有被水透過(guò)的性能稱(chēng)為土的滲透性土的滲透性。土的問(wèn)題土的問(wèn)題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問(wèn)題。影響

2、建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的問(wèn)題。2021/8/1432021/8/1443-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論一、達(dá)西滲透定律一、達(dá)西滲透定律由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的由于土體中的孔隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于層流。層流。著名的著名的達(dá)西達(dá)西(Darcy)滲透定律滲透定律： 滲透速度：滲透速度： （3-1）或或 滲流量為：滲流量為： （3-2）hvkkiLkiAvAq2021/8/145式中：式中：-水在土中的滲透速度，水在土中的滲透速度，cm/s。它不是地下

3、水的實(shí)際流速，而是它不是地下水的實(shí)際流速，而是在一單位時(shí)間（在一單位時(shí)間（sec） 內(nèi)流過(guò)一單位內(nèi)流過(guò)一單位土截面（土截面（cm2）的水量（）的水量（cm3）；）； i-水頭梯度，即土中兩點(diǎn)的水頭差（水頭梯度，即土中兩點(diǎn)的水頭差（h1-h2）(對(duì)右圖，為對(duì)右圖，為H1-H2)與兩點(diǎn)與兩點(diǎn)間的流線長(zhǎng)度（間的流線長(zhǎng)度（L）之比；）之比；k-土的滲透系數(shù)，土的滲透系數(shù)，cm/s，與土的，與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。滲透性質(zhì)有關(guān)的待定系數(shù)。對(duì)粘性土： （3-3）)(biikv3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/146土的滲透系數(shù)可以通過(guò)室內(nèi)土的滲透系數(shù)可以通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)滲透試驗(yàn)或

4、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)來(lái)測(cè)定?；颥F(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 各種土的滲透系數(shù)參考值（各種土的滲透系數(shù)參考值（cm/scm/s）3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/147必須指出，由式（必須指出，由式（3-13-1）求出的）求出的滲透速度滲透速度v v 是一種是一種假想的平均流假想的平均流速速，因?yàn)樗俣ㄋ谕林械臐B透是通過(guò)整個(gè)土體截面來(lái)進(jìn)行的，因?yàn)樗俣ㄋ谕林械臐B透是通過(guò)整個(gè)土體截面來(lái)進(jìn)行的，而實(shí)際上，滲透水僅僅通過(guò)土體中的孔隙流動(dòng)，實(shí)際平均流速而實(shí)際上，滲透水僅僅通過(guò)土體中的孔隙流動(dòng)，實(shí)際平均流速v v 要比假想的平均流速大很多。要比假想的平均流速大很多。它們之間的關(guān)系為：它們之間的關(guān)系

5、為： （3-4）eevnvv13-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/148二、達(dá)西滲透定律的二、達(dá)西滲透定律的適用條件適用條件只有當(dāng)滲流為只有當(dāng)滲流為層流層流的時(shí)候才能適用達(dá)西滲透定律。的時(shí)候才能適用達(dá)西滲透定律。達(dá)西滲透定律的適用界限可以考慮為：達(dá)西滲透定律的適用界限可以考慮為： （3-53-5）滿足達(dá)西滲透定律的土的平均粒徑滿足達(dá)西滲透定律的土的平均粒徑: : （ 3-63-6）也就是說(shuō)，對(duì)于比粗砂更細(xì)的土來(lái)說(shuō)，達(dá)西滲透定律一般也就是說(shuō)，對(duì)于比粗砂更細(xì)的土來(lái)說(shuō)，達(dá)西滲透定律一般是適用的，而對(duì)粗粒土來(lái)講，只有在水力坡降很小的情況是適用的，而對(duì)粗粒土來(lái)講，只有在水力坡降很小的情

6、況下才能適用。下才能適用。0vdRemmvd52.0Re/3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/149滲透系數(shù)滲透系數(shù)是直接衡量土的透水性是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。強(qiáng)弱的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。三、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)三、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)可分為：可分為：常水頭試驗(yàn)常水頭試驗(yàn)和和變水頭試驗(yàn)變水頭試驗(yàn)（一）（一）常水頭法常水頭法是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭保持是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭保持不變。常水頭法適用于透水性強(qiáng)不變。常水頭法適用于透水性強(qiáng)的無(wú)粘性土。土的滲透系數(shù)：的無(wú)粘性土。土的滲透系數(shù)： （3-73-7）下頁(yè)所示為下頁(yè)所示為基馬式滲透儀基馬式滲透儀Ah

7、tVLk 3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/1410（二）（二）變水頭法變水頭法在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，水頭是隨著時(shí)間而變化的。水頭是隨著時(shí)間而變化的。適用于透水性弱的粘性土。適用于透水性弱的粘性土。土的滲透系數(shù)：土的滲透系數(shù)： （ (3-8(3-8） （3-93-9） 2112ln)(hhttAaLk2112lg)(3 . 2hhttAaLk3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/1411四、成層土的滲透系數(shù)四、成層土的滲透系數(shù)天然沉積土往往由滲透性不同的土層所組成。對(duì)于與土天然沉積土往往由滲透性不同的土層所組成。對(duì)于與土層層面平行和垂直的簡(jiǎn)單滲

8、流情況，當(dāng)各土層的滲透系層層面平行和垂直的簡(jiǎn)單滲流情況，當(dāng)各土層的滲透系數(shù)和厚度為已知時(shí)，我們可求出整個(gè)土層與層面平行和數(shù)和厚度為已知時(shí)，我們可求出整個(gè)土層與層面平行和垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲流計(jì)算的依據(jù)。垂直的平均滲透系數(shù)，作為進(jìn)行滲流計(jì)算的依據(jù)。3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/1412如圖如圖3 36 (a) 6 (a) 所示與層面平行的滲流情況。通過(guò)整所示與層面平行的滲流情況。通過(guò)整個(gè)土層的個(gè)土層的總滲流量總滲流量qxqx應(yīng)為各土層滲流量之總和，即應(yīng)為各土層滲流量之總和，即整個(gè)土層與層面平行的整個(gè)土層與層面平行的平均滲流平均滲流系數(shù)系數(shù)為：為：niixnxxx

9、xqqqqq121niiixHkHk113-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/1413如圖36 (b) 所示與層面垂直的滲流情況。通過(guò)整個(gè)土層的總滲流量qy應(yīng)為各土層滲流量之總和，即整個(gè)土層與層面垂直的平均滲流系數(shù)為：nyyyyqqqq21niiinnykHHkHkHkHHk12211)(3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/14141.The test apparatus is shown as Fig. Below. Assuming the water tables in both containers (A and B) unchangeable, De

10、termine the height h in pipe C for pressure.3-2 3-2 土的滲流理論土的滲流理論2021/8/14153-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲流所引起的滲流所引起的穩(wěn)定問(wèn)題穩(wěn)定問(wèn)題：（1 1） 土體的局部穩(wěn)定問(wèn)題，又稱(chēng)為滲透變形問(wèn)題；土體的局部穩(wěn)定問(wèn)題，又稱(chēng)為滲透變形問(wèn)題；（2 2） 整體穩(wěn)定問(wèn)題。整體穩(wěn)定問(wèn)題。一、一、滲透力滲透力的概念的概念在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變?cè)陲柡屯馏w中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，受到土粒的阻力，引起水頭損失形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，受到土粒的阻力，

11、引起水頭損失，同時(shí)水也對(duì)土顆粒施加滲流作用力，同時(shí)水也對(duì)土顆粒施加滲流作用力，單位體積土骨架所單位體積土骨架所受到的滲流作用力稱(chēng)為滲透力受到的滲流作用力稱(chēng)為滲透力(seepage force or seepage pressure)或動(dòng)水壓力，用或動(dòng)水壓力，用J表示表示。2021/8/1416()wdp n dAdhdzn dA 兩端兩端A,B表面的孔隙水壓力，其差值為：表面的孔隙水壓力，其差值為：(2)孔隙水流的自重沿流向方向的合力為：孔隙水流的自重沿流向方向的合力為：sinwwwdzndAdlndAdlndAdzdl 2021/8/14173-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破

12、壞類(lèi)型(3) 孔隙水體受到的總阻力為：孔隙水體受到的總阻力為：0fdAdl(4)在土粒兩端在土粒兩端A A，B B截面上所受到的孔隙水壓力，截面上所受到的孔隙水壓力，以同樣大小傳給土體內(nèi)的水體以同樣大小傳給土體內(nèi)的水體(1)() (1)wdpndAdhdzndA(5) 土粒所受的浮力，以同樣大小反作用于水體，土粒所受的浮力，以同樣大小反作用于水體，在流線方向上的分力為：在流線方向上的分力為：(1)sin(1)(1)wwwdzndAdlndAdlndAdzdl 2021/8/1418滲透力是一種體積力，量綱與相同。滲透力的大滲透力是一種體積力，量綱與相同。滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲流

13、方向一致。小和水力梯度成正比，方向與滲流方向一致。 按照流線方向的合力為零力，則有按照流線方向的合力為零力，則有3-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型0wdhfdl 而滲透力而滲透力J J為的反作用力，即為的反作用力，即wwdhJidl 2021/8/1419 簡(jiǎn)易解法 Force of permeability0cos21TLFFhLFFhwwwLZZ21cos2021/8/1420 02211TLhZZhwwww02211TLhZZhw212211HHZhZhLHHi21iTwiTjwwji2021/8/1421二、二、滲透破壞滲透破壞類(lèi)型類(lèi)型根據(jù)滲透破壞的機(jī)理將破壞形式

14、分為根據(jù)滲透破壞的機(jī)理將破壞形式分為流土、管涌、接流土、管涌、接觸流失和接觸沖刷觸流失和接觸沖刷四種形式，稱(chēng)為土的滲透破壞的四種四種形式，稱(chēng)為土的滲透破壞的四種模式。模式。1.流砂或流土流砂或流土 在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，滲透力的大小超過(guò)土重在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，滲透力的大小超過(guò)土重度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮動(dòng)或某顆粒群懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為流砂動(dòng)或某顆粒群懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為流砂(sand boiling)或流土或流土(soil boiling)。 3-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型2021/8/14

15、22 土的臨界水力梯度土的臨界水力梯度當(dāng)豎向滲流力等于土體的有效重量時(shí)，土體就處于流土臨當(dāng)豎向滲流力等于土體的有效重量時(shí)，土體就處于流土臨界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生自下而上的滲流且水力梯度大于或等于臨界界狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生自下而上的滲流且水力梯度大于或等于臨界水力梯度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。水力梯度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度以瀕臨滲透破壞時(shí)的水力梯度稱(chēng)為稱(chēng)為臨界水力梯度臨界水力梯度。wsscreGnGi11)1)(1(11swwGjie)1 (eiwwswcr3-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型2021/8/1423粘性土粘性土發(fā)生流土破壞的機(jī)理發(fā)生流土破壞的機(jī)理與無(wú)粘性

16、土不完全相同，因?yàn)榕c無(wú)粘性土不完全相同，因?yàn)榍罢卟粌H僅是由于滲流力作用的結(jié)果，而且還與土體表面的前者不僅僅是由于滲流力作用的結(jié)果，而且還與土體表面的水化崩解程度（即水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑等因水化崩解程度（即水穩(wěn)性）以及滲流出口臨空面的孔徑等因素有關(guān)。素有關(guān)。)1)(1 (79. 0)1()1 (2420CDnnniLcr3-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型2021/8/14243-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型2.2.管涌管涌在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒也相

17、繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流通道，造成土體塌陷。這種在滲流作用下土體內(nèi)的細(xì)土顆粒在粗顆粒形成的孔隙通道內(nèi)發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象稱(chēng)為管涌(piping) 2021/8/1425 For the seepage situations shown in Fig below, the length of the sand sample L=25cm and water head difference h=20cm.Calculate the Force of permeability applied on sandIf s=26.8kN/m3, e=0.72, Determine w

18、hether will running sand occur?If the running sand occurs, calculate the necessary water head difference.例例3-2 如圖裝置，土樣厚度如圖裝置，土樣厚度L=25cm，水頭差，水頭差h=20cm。(1)計(jì)算滲透力的大?。挥?jì)算滲透力的大小；(2)若砂土的土粒比重若砂土的土粒比重2.68, e=0.72, 是否會(huì)出現(xiàn)流土現(xiàn)象？是否會(huì)出現(xiàn)流土現(xiàn)象？(3) 若要出現(xiàn)流土，計(jì)算最小的水頭差。若要出現(xiàn)流土，計(jì)算最小的水頭差。3-3 3-3 滲透力及滲透破壞類(lèi)型滲透力及滲透破壞類(lèi)型2021/8/14263

19、-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理1、有效應(yīng)力的概念、有效應(yīng)力的概念wwhu把飽和土體中由孔隙水來(lái)承把飽和土體中由孔隙水來(lái)承擔(dān)或傳遞的應(yīng)擔(dān)或傳遞的應(yīng) 力定義為力定義為孔孔隙水應(yīng)力隙水應(yīng)力，常以，常以u(píng)表示。表示。2021/8/1427把通過(guò)粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱(chēng)為把通過(guò)粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱(chēng)為有效應(yīng)力有效應(yīng)力。只有有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生壓縮（或固結(jié)）和強(qiáng)度。只有有效應(yīng)力才能使土體產(chǎn)生壓縮（或固結(jié)）和強(qiáng)度。3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/1428u太沙基(Terzaghi)有效應(yīng)力原理：把通過(guò)粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱(chēng)為把通過(guò)粒間的接觸面?zhèn)鬟f的應(yīng)力稱(chēng)為有效應(yīng)力有效應(yīng)力

20、。定義：定義：ANs研究平面總面積研究平面總面積A；粒間接觸面積；粒間接觸面積As；孔隙水面積孔隙水面積Aw（AAs）uAANAss)()1 (uAAANssu)1 (3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2、有效應(yīng)力原理、有效應(yīng)力原理2021/8/1429-非飽和土非飽和土 Un-saturated soilBishop,1959waauuxu/wxAAau飽和土， For Saturated soil: x=1 干土，F(xiàn)or completely dried soil x=0 wu2021/8/14303、靜水條件下靜水條件下孔隙水壓力和有效應(yīng)力孔隙水壓力和有效應(yīng)力211hhsat2hu

21、w1 1221 12satwuhhhhh3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/14313-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/14324、穩(wěn)定滲流條件下穩(wěn)定滲流條件下孔隙水壓力和有效應(yīng)力3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理自自上上而而下下滲流滲流 21hhsatw2wwwuhhh12wuhhh2021/8/14333-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/14344、穩(wěn)定滲流條件下穩(wěn)定滲流條件下孔隙水壓力和有效應(yīng)力3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理自自下下而而上上滲流滲流 12sathh2wwuhhh12wuhhh 2021/8/14353-

22、4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/1436A soil profile is shown in Fig., calculate the total stress , pore water pressure u and effective stress and plot the distribution with depth.3地基土及其資料如圖，求地基土及其資料如圖，求a-a, b-b, c-c平面處的總應(yīng)力平面處的總應(yīng)力 ，孔隙水應(yīng)力，孔隙水應(yīng)力u及有效及有效應(yīng)力應(yīng)力 ，并繪制其沿深度的分布圖。，并繪制其沿深度的分布圖。3-4 3-4 有效應(yīng)力原理有效應(yīng)力原理2021/8/1437例例3-3a 有一粘土層位于兩砂層之間，有一粘土層位于兩砂層之間，地下水位線位于地表以下地下水位線位于地表以下1.5m處，處，其砂土其砂土(水面以上水面以上)的重度的重度=17.6 kN/m3，飽和重度，飽和重度sat=1