土的滲透性與土中滲流

1、第2章 土的滲透性與土中滲流,§2.1土中滲流的工程意義§2.2滲流理論§2.3滲透力與滲透變形§2.4滲流工程問題與處理措施,2.1 土中滲流的工程意義,土壩蓄水后水透過壩身流向下游,,隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動,在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲流,,§2.2 滲流理論,一、達(dá)西定律,1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究,結(jié)論：水在土中單位時間的滲流量

2、與圓筒斷面積A及水頭損失Δh成正比，與斷面距離L成反比,滲透試驗播放,q=kAΔh /L,達(dá)西定律,i為水力梯度,v=q/A=kΔh /L =ki,Δ,二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力梯度,達(dá)西定律,討論：,砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系,密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系,,起始水力梯度,虛直線簡化,,,v=ki,§2.3 滲透力與滲透變

3、形,一、滲透力和臨界水力梯度,1.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力,沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h,水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h,土粒對水流的阻力應(yīng)為,土樣面積,根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反,滲流作用于單位土體的力,說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力梯度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3,滲透力方

4、向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定,滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利,滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出,2.臨界水力梯度icr———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力梯度,,,當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力梯度即為臨界水力梯度,,或,在工程計算中，將土的臨界水力梯度除以某一安全系數(shù)K(2～3)，作為允許水力梯度[i]。

5、設(shè)計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力梯度控制在允許梯度[i]內(nèi),二、滲透變形,滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）,1.流土——在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象,流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞,2.管涌——在滲流作用下，無

6、粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象,土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞,3.流土與管涌的區(qū)別,1）流土發(fā)生時水力梯度i大于臨界水力梯度icr ，而管涌可以發(fā)生在i10）的無黏性土中，且土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑必須大于細(xì)顆粒的直徑。,三、例題

7、分析,【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)K為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞,【解答】,臨界水力梯度,由于實際水力梯度i <[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞,允許水力梯度,§2.4 滲流工程問題與處理措施,一、滲流工程問題,1.地下水的浮托作用,地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)

8、產(chǎn)生浮托力,2.地下水的潛蝕作用,在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細(xì)顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細(xì)砂、粉土地層中,3.流砂,流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn),4.基坑突涌,當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚

9、度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌,二、防滲處理措施,1.水工建筑物滲流處理措施,水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形,①垂直截滲,主要目的:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲,②設(shè)置水平鋪蓋,上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體

10、連接，延長了水流滲透路徑,③設(shè)置反濾層,設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層,④排水減壓,為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設(shè)置減壓井或深挖排水槽,2.基坑開挖防滲措施,①工程降水,采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位,在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出