第四章-土的渗透性

《土质学与土力学》第四章土的渗透性第一节土的渗透性第二节土的渗透变形第三节黏性土的抗水性

第一节土的渗透性一、土的渗透性定义二、渗透试验与达西定律

三、土的渗透性土的渗透性定义

第一节土的渗透性水透过土体孔隙的现象成为渗透土具有被水透过的性能称为土的渗透性水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响

孔隙水在水头差作用下渗透：水透过土体孔隙的现象渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性

造成水量损失，影响工程效益引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力、渗透变形等问题。渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流

第一节土的渗透性渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流

第一节土的渗透性渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q

第一节土的渗透性渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流

第一节土的渗透性Teton坝概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路原因：渗透破坏－水力劈裂

第一节土的渗透性Teton坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。

第一节土的渗透性Teton坝11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加

第一节土的渗透性Teton坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。

第一节土的渗透性11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton坝

第一节土的渗透性11:57坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton坝

第一节土的渗透性12：00过后坍塌口加宽Teton坝

第一节土的渗透性洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton坝

第一节土的渗透性失事现场目前的状况Teton坝

第一节土的渗透性渗透试验与达西定律1856年法国学者达西砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

第一节土的渗透性砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土

第一节土的渗透性时间t内流出的水量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（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

第一节土的渗透性土的渗透性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

第一节土的渗透性H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi

第一节土的渗透性3.成层土的渗透系数.

H1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)

第一节土的渗透性影响渗透系数的因素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。

2.土的密实度

3.水的动力粘滞系数

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。

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。4.土中封闭气体含量

土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。

第一节土的渗透性

第二节土的渗透变形一、渗透力的计算二、流土与管涌

渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动

第二节土的渗透变形水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力渗透力——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。

第二节土的渗透变形流土、浮冲、砂沸渗流力存在abcdUw1Uw2FsWw

第二节土的渗透变形

第二节土的渗透变形

第二节土的渗透变形

第二节土的渗透变形1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利

第二节土的渗透变形

第二节土的渗透变形流土与管涌按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式流土

第二节土的渗透变形管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。

第二节土的渗透变形管涌

第二节土的渗透变形粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌土的类型与渗透变形型式

第二节土的渗透变形土的临界水力梯度抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度流土型土的临界水力梯度逸出处单位土体

第二节土的渗透变形临界水力梯度

第二节土的渗透变形流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态

第二节土的渗透变形管涌型土的临界水力梯度管涌是单个土粒在土体中移动和带出，水科院提出的涌土临界水力梯度的计算公式为根据渗流场中单个土粒收到的渗流力、浮力以及自重作用时的极限平衡条件，并结合试验资料分析而得到

第二节土的渗透变形渗流工程问题与处理措施

1.渗流工程问题(1)地下水的浮托作用

地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力

(2)地下水的潜蚀作用

在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中

(3)流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

第二节土的渗透变形(4)基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌

第二节土的渗透变形2.防渗处理措施1)水工建筑物渗流处理措施

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

①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

第二节土的渗透变形②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

粘土铺盖③设置反滤层

砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，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。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层

第二节土的渗透变形④排水减压

粘性土含水层减压井

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

第二节土的渗透变形2)基坑开挖防渗措施①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原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水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

第二节土的渗透变形②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，减小水力坡降钢板桩③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

第二节土的渗透变形

第三节黏性土的抗水性一、黏性土的收缩性二、黏性土的膨胀性三、黏性土的崩解性

四、影响黏性土抗水性的因素黏性土的胀缩性

膨胀性

收缩性

黏性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性

由于黏性土中水分蒸发而引起体积减少的性能称收缩性

第三节黏性土的抗水性

第三节黏性土的抗水性黏性土的收缩性

1体缩率

2线缩率

4收缩系数:作图求解3缩限:作图求解黏性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。其收缩过程可分为两个阶段：第一阶段（AB）表示了土体积的缩小与含水率的减小成正比，呈直线关系；土之减小的体积等于水分散失的体积；第二阶段（BC）表示了土体积的缩小与含水率的减少呈曲线关系。土体积的减少量小于失水体积，随着含水率的减少，土体积收缩愈来愈慢。黏性土的膨胀性

1膨胀率ep

常用线膨胀率：

2膨胀力

3膨胀含水率:

4自由膨胀率:一般认为引起土体膨胀的原因主要有以下几方面：黏粒的水化作用、黏性表面双电层的形成、扩散层增厚等因素。其膨胀大致分两个阶段，第一阶段：干黏粒表面吸附单层水分子，“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”；第二阶段：由于双电层的形成，使黏粒或晶层进一步推开，“渗透膨胀”。

第三节黏性土的抗水性黏性土的崩解性

定义：黏性土由于浸水而发生崩解散体的特性称崩解性评价黏性土的崩解性一般采用下列三个指标：1、崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需的时间；2、崩解特征：土样在崩解过程的各种现象，即出现的崩解形式；3、崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比，和时间的关系。崩解现象的产生是由于土水化，使颗粒间连接减弱及部分胶结物溶解而引起的崩解。是表征