项目4-土的渗透性及渗透变形防治

,项目4土的渗透性及渗透变形防治,1,确定土的渗透性,1,工作任务,学习步骤,咨询,决策,计划,实施,检查,评价,测定土的渗透系数，分析天然地基、堤坝和基坑开挖边坡的渗流稳定，以确定土的渗透变形，为施工选料等提供指标和依据。,试验目的,仪器设备,（1）70型渗透仪：由金属封底圆筒、金属孔板、滤网、测压管和供水瓶组成。（2）温度计：分度值0.5oC。（3）其他：木击锤、秒表、天平、量杯等。,咨询：工作任务,1.1达西定律,渗透定律:,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。,注意：,V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,V：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day,任务1确定土的渗透性,1达西定律及适用范围,粗粒土：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用,1.2达西定律的适用范围,i,v,o,vcr,i,v,ib,层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降iib,v=k(i-ib),砾土,密实粘土,1.3影响渗透系数的主要因素,1.3.1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。,1.3.2土的密实度,1.3.3水的温度,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，k值愈小。,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。,1.3.4封闭气体的含量,一般情况下饱和度愈低，k值愈小。这是因为低饱和土中的孔隙中存在较多气泡减小过水断面积，阻塞渗流通道。,T、20分别为T和20时水的动力粘滞系数，可查表,2渗透系数的测定,时间t内流出的水量,2.1常水头试验整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k103cm/s）的土，例如砂土。,2.2变水头试验整个试验过程水头随时间变化,截面面积a,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,dV=adh,在时段dt内流经试样的水量,dV=kiAdt=kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,分离变量积分,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,取值,h=const,h变化,h，A，L,Q，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,室内试验方法小结,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,2.3成层土的渗透系数,2.3.1水平渗透系数,通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和,达西定律,整个土层与层面平行的等效渗透系数,平均渗透系数,2.3.2垂直渗透系数,根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,垂直渗透系数,各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为i,总水头损失等于各层水头损失之和,整个土层与层面垂直的等效渗透系数,1.1渗透力,任务2判断土的渗透变形计渗透变形的防治措施,1渗透力与渗透变形,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。,土粒对水流的阻力为,水流对土粒的渗透力为,渗流作用于单位土体的力,说明：渗透力J是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,1.2渗透变形的基本形式,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）,1.2.1流土在渗流作用下，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。,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、淤泥等较易发生流土破坏。,1.2.2管涌在渗流作用下，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。,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。,1.2.3流土与管涌的判别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,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Cu10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,对Cu10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30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，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（此时细料含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,1.3流土和管涌的临界水力坡降,Fs:安全系数1.52.0,i:允许坡降,iicr:土体发生流土破坏,工程设计：,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,1.3.1流土的临界水力坡降,1.3.2管涌的临界水力坡降,管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度i与流速v之间的变化来判断管涌是否出现。,2渗透变形的防治,2.1水工建筑物防渗措施,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，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。,垂直截渗,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。,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。,设置反滤层,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。,排水减压,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。,2.2基坑开挖防渗措施,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。,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,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。,决策,（1）了解完成本任务所需的相关知识；（2）查找相关实验指导书及完成本任务所需的辅助设备；（3）了解实验目的及方法，以便顺利完成本任务。,计划,1.根据班级人数分为若干个小组，每组56人；2.在教师指导下，拟定完成