第4章土的渗透性及渗透稳定

第4章土的渗透性及渗透稳定Chapter 4 Permeability and seepagestability of soil4.1概述Section 1 Introduction1. 土的渗透性（Permeability of soils）土体中的渗流土颗粒土中水渗流⏹土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。

当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动☞水在土体孔隙中流动的现象称为渗流☞土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性2. 渗流引起的问题(Problems induced by seepage)（1）渗漏(Leakage)（2）渗透破坏(Seepage failure)（3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工Impact consolidation, strength, stability of soils and project construction防渗体坝体浸润线透水层不透水层渗流问题：1. 渗流量Q ？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流Q板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1. 渗流量？2. 渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例渗流问题：1. 渗流量？2. 地下水影响范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1. 渗透力？2.入渗过程？事故实例•渗流量•扬压力•渗水压力•渗透破坏•渗流速度•渗水面位置•挡水建筑物•集水建筑物•引水结构物•基础工程•地下工程•边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性4.2土的渗透性Section 2 Permeability of soils4.2.1 水头与水力梯度Water head and hydraulic gradient1. 水头及其类型（Water head and its types ）(1) 位置水头Elevation head z(2)压力水头Pressure head(3) 流速水头velocity head(4) 总水头Total headgvuz h w 22++=γ(4-1)wuγg v222. 水力梯度（Hydraulic gradient ）4.2.2 达西定律Darcy's law1. 达西定律的内容砂土中的渗透流量Q 与水头差(h 1-h 2) 成正比，与渗径L 成反比(4-5)Lhi ∆=图4-2 达西砂土试验装置A Lh h k Q ⋅-=21(4-6, a)LAh 1h 2QQ透水石引入水力坡降，则上式可改写为：Q = kiA上式还可写为：式中，k 称为土的渗透系数(Coefficient of permeability) (cm/s)。

(4-7)(4-6, b)kiAQ v ==2. 达西定律的适用范围(Applicable scope)（1）粗粒土——小于临界流速(Critical velocity) V cr （图4-3）（2）密实粘土——大于起始水力坡降(Incept hydraulic gradient)i b （图4-4）⏹达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关⏹渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day⏹渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度达西定律的适用范围⏹适用条件：层流（线性流动）✧岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围✧在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。

可用雷诺数进行判断：0.51.01.52.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)η10d v Re ⋅=Re ＜5时层流R e ＞200时紊流200＞R e ＞5时为过渡区4.2.3 土的渗透系数及其测定Permeability coefficient of soils and its measurement1. 渗透系数的物理意义(Physical meaning)2. 坝基土层渗透性分类（1）强透水层(Strong permeable layer)(k >10-1~10-2cm/s)（2）中等透水层(k ＝10-2~10-4cm/s)Moderate permeable layer（3）相对不透水层(k<10-4~10-7cm/s)Relative impermeable layer3. 室内渗透试验(Permeability test in door)（1）常水头—粗粒土Constant head permeability test for coarse-grained soilAhtQL k(4-9)土样At=t1∆h1t=t2∆h2LQ水头测管开关a∆hL土样AVQ变水头试验仪常水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪（2）变水头——细粒土Falling head permeability test for fine-grained soil两边积分，得adhdQ -=Adt Lhk dQ =hdh kA aL kAh LdQ dt -==)ln (ln 1212h h kAaL t t --=-2112ln)(h h t t A aL k -=2112lg)(3.2h h t t A aL k -=(4-10)(4-11)常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLk∆∆=htAVLk∆=不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土室内试验方法–小结渗透系数的测定方法•常水头试验法•变水头试验法•井孔抽水试验•井孔注水试验☞室内试验方法☞野外试验方法4. 现场渗透试验(Permeability test in site) （自学）（1）抽水法(Pumping test)（2）注水法(Water injection test)5. 经验估算法(Empirical estimate formula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。

常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。

4. 现场渗透试验(Permeability test in site) （自学）（1）抽水法(Pumping test)（2）注水法(Water injection test)5. 经验估算法(Empirical estimate formula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。

常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。

现场测定法－抽水试验抽水量Q r 1r 2h 1h 2井不透水层⏹试验条件:Q =const⏹量测变量: r=r 1，h 1=？r=r 2，h 2=？✧优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数✧缺点：费用较高，耗时较长观察井4.3 渗流作用下的应力状态Section 3 Stress state under seepage4.3.1 静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a))Effective stress and pore water pressure in static water4.3.2 稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力Effective stress and pore water pressure in case of stable seepage1. 向下渗流的情况(图4-8(b))Case of seepage downwards21h h sat w γγσ+=)(21h h u w +=γ22121)(h h h h h u w sat w γγγγσσ'=+-+=-='由试样2—2截面的受力平衡(Static equilibrium)得：(4-16)11h u w γ=)(122h L h h u w w -+==γγA u u LA A Au W Au A sat )(2112-+='+=+'γσσ(4-17)由有效应力原理得：2. 向上渗流的情况（图4-5 (c)）Case of Seepage upwards由有效应力原理得：hL hL h L h L h h L h u w w w sat w sat w w sat w γγγγγγγγγγγσσ+'=+-=-+-+=-+=-=')()(1121(4-17, a)h L hL h L h L h h L h u w w w sat w sat w w sat w γγγγγγγγγγγσσ-'=--=++-+=-+=-=')()(1121(4-17, b)3. 结论(Conclusions)（1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（2）有效应力状态与渗流作用的方向有关4.4.1 渗透力(Seepage force)1. 总渗透力(Total seepage force)2. 渗透力j3. 有效应力状态的两种表示方法（1）试样的浮重度γ′与土骨架所受的渗透力j 表示(4-18)(4-17, c)hAF J w γ==i AL hA V J j w w γγ===jV V AL Lh AL A w ±'=±'='γγγσLj )(±'='γσ4.4 土的渗透稳定Section 4 Seepage stability of soils 渗透变形（Seepage failure ）（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)）4.4.2 渗透破坏的形式(Types of seepage failure)1. 流土(Heaving, Boiling)（图4-9 (b)）2. 管涌(Piping)（图4-9 (a)）3. 接触流失(Contact lose)4. 接触冲刷(Contact scouring)图4-9渗透变形-流土⏹流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。

任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k 1<<k 2砂性土k 2坝体渗流cr i i =e 11G i s cr +-=γγ'=ω☞原因：与土的密实度有关坝体渗透变形–管涌☞原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大⏹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4.4.3 渗透破坏的判别(Judgement)1. 粘性土和均匀砂—流土Cohesive soil and uniform sand2. 级配不连续的砂砾石Discontinuously graded sandy gravel （1）填料含量(Filling content)<25%——管涌（2）填料含量(Filling content)>35%——流土（3）填料含量(Filling content)＝25％～35%——过渡型(Transition type)3. 级配连续的砂砾石Continuously graded sandy gravel（1）平均孔隙直径D 0>可流动填料直径d 5——管涌Mean void diameter >Flowable filling diameter d 5——Piping（2）平均孔隙直径D 0<可流动填料直径d 3——流土（3）平均孔隙直径D 0介于可流动填料直径d 3 ～d 5之间——过渡型4.4.4 渗透破坏的临界坡降Critical hydraulic gradient of seepage failure1. 流土(Boiling)(图4-10)当时，代入式（4-17，b ）得γγ'=w i 0=-=-='h h h L i w w w w γγγγσAL AL i w γγ'=208/1025.0d C D u =(4-19)(4-20)粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experiential values) 0.8～1.2允许抗渗坡降[i ]: 一般砂土=0.4~0.5；细粒含量大于35%砂砾料0.5～0.8Allowable seepage resistant gradient 实际允许坡降较大，粘性土可达4～6w wsat s cr ws wcr e G i eG i γγγγγγγ-=+-=+-=''=1111(4-21,a)(4-21,b)（1）i cr 是C u 的函数（图4-11(a)）（2）i cr 决定于细粒填料的含量（图4-11(b)）砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。