自考 工程地质及土力学-34 35

第3章土的渗透性与渗流工程地质及土力学土木工程系

§

3.3二维渗流与流网§3.2土的渗透性与渗透规律§3.5

渗流情况下的孔隙水压力与有效应力§3.4

渗透力与渗透变形§3.1概述3.4渗透力及渗透变形Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致一、渗透力土粒渗流渗透力j=fs=

w

h

/L=

wi渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响。3.4.1渗透力1点，渗流力方向与重力方向一致，促使土体压密、强度提高，对稳定有利。2点，3点，渗流力方向近水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利。4点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，对稳定不利。3.4.1渗透力☞物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：

j=

w·i方向：与水力梯度方向一致作用对象：土骨架3.4.2临界水力梯度砂土中的有效重度（浮重度）为

，当

j>

’

时，砂土将被渗透力所悬浮，失去其稳定性；h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr

=

/

w

icr取决于土的物理性质当j=

’

时，砂土将处于悬浮的临界状态，此时的水力梯度称为临界水力梯度icr。流土（流砂）3.4.3渗透变形（渗透破坏）土工建筑物及地基由于渗透作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。1、由于渗流力（渗透力）的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳。管涌滑坡、水库塌岸，岸坡、土坝在水位降落时滑动，挡土墙等结构物失稳2、由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳。一、流土（流砂）流土：在向上的渗透作用下，土体表面局部隆起，或者土颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：与土的密实度有关3.4.3渗透变形（渗透破坏）表层隆起，砂粒涌出，整块土体被抬起一、流土（流砂）3.4.3渗透变形（渗透破坏）地震引起的砂土液化一、流土（流砂）3.4.3渗透变形（渗透破坏）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。一、流土（流砂）3.4.3渗透变形（渗透破坏）建筑在双层地基上，表层为透水性较小且厚度较薄的黏土层，下卧层为渗透性较大的无粘性土。地基为均匀的砂土层，不均匀系数Cu<10。地表普遍小泉眼，冒气泡，继而土粒群向上举起，发生浮动，跳跃，称为砂沸。→典型的流土破坏二、管涌3.4.3渗透变形（渗透破坏）在渗透水流的作用下，土体中的细土粒在粗体粒间的孔隙通道中虽水流移动并被带出流失的现象。坝体原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,Cu>10外因：渗透力足够大

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，造成土体塌陷二、管涌3.4.3渗透变形（渗透破坏）三、流土与管涌的比较3.4.3渗透变形（渗透破坏）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在一定的水力梯度下开始出现管涌现象，短期内细土粒停止流失，土体尚能承受更大的水力梯度；继续增大水力梯度，也只是增大渗流量，出现大泉眼，或者流土。无粘性土往往水力梯度不大就会出现管涌。粘性土（除分散性土外）只能引起流土，即使水力梯度很大也不会出现管涌。3.4.3渗透变形（渗透破坏）

流土型土

管涌型土

过渡型土产生渗透变形的土类：四、渗透变形的判别3.4.3渗透变形（渗透破坏）渗透破坏状态临界状态稳定状态ic<icric=icric>icr根据渗流出口处的水力梯度ic，判断渗流的可能性：五、渗透变形防治措施3.4.3渗透变形（渗透破坏）降低水力梯度在溢出处增设反滤层降低水头加长渗流路径加盖压层在下游设计减压井、减压沟3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力一、饱和土体中的有效应力原理

把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的压力定义为孔隙水压力，常以u表示。其值等于该点的测压管水柱高度hw，与水的重度的乘积。作用于土颗粒骨架上并有效地改变了土的力学性质的作用力，称为有效应力σ。3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力一、饱和土体中的有效应力原理aa孔隙水压力和有效应力之和称为总应力。太沙基提出的有效应力原理3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力二、在静水条件下的孔隙水压力和有效应力h2h1粘土层γsat水γw3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力三、在稳定渗流下的孔隙水压力和有效应力（一）渗流方向由上向下hwhh2h1砂层，排水粘土层γsat水γw3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力三、在稳定渗流下的孔隙水压力和有效应力（二）渗流方向由下向上hhwh2h1砂层，承压水粘土层γsat水γw3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力三、在稳定渗流下的孔隙水压力和有效应力hhwh2h1砂层，承压水粘土层γsat水γw（三）发生流土的临界条件3.5渗流情况下的孔隙水压力与有效应力三、在稳定渗流下的孔隙水压力和有效应力静水条件和渗流情况下的应力情况比较例有一粘土层位于两砂层之间，地下水位线位于地表以下1.5m处，其砂土(水面以上)的重度γ=17.6kN/m3，饱和重度γsat=19.6kN/m3；粘土层的饱和重度γsat=20.6kN/m3，如图所示，若下层砂中有承压水，其测压管水位高出地面3m，计算：粘土层内的总应力、孔隙水压力及有效应力变化，并绘制其沿深度的分布图（假定承压水头全部损失在粘土层中）；要使粘土层发生流砂，则下层砂中有承压水引起的测压管水位应高出地面多少？渗流情况下的有效应力和孔隙水压力解：⑴在粘土层中承压水头全部损失，故面中按静水条件计算，先计算总应力及孔隙水压力，然后按照有效应力原理，即，，计算有效应力，具体如下表：(2)要发生流砂，则，故应使

：对于成层地基，发生流沙的临界条件为有效应力为零。渗流情况下的有效应力和孔隙水压力识记1