【土力学教案】土的渗透性.docVIP

第3章 土的渗透性 3.1 概述 水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。图3.1(a)土石坝渗流的例子，图3.1（b）为随洞开挖时，地下水的渗流。由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动规律。孔隙介质中的渗流场理论，基本上描述了水在孔隙介质中的渗透特性。水在裂隙介质中的渗透，目前的研究还很不完善。由于裂隙介质的复杂性，水在裂隙介质中的渗透无论在理论上或是试验方面都存在很多问题，在解决工程实际问题方面还很不成熟。岩土体的渗透性对工程设计、施工和安全运行都有重要的影响。 本章主要介绍岩土体的渗透性的基本概念及土体渗透变形破坏的类型、渗透变形破坏产生的条件及坝基渗透稳定性分析，其它内容请参考有关书籍。 3.2土的渗透性 土体孔隙中的自由水，在重力作用下会发生运动。如基坑开挖排水施工期间地下水会源源不断的流向基坑。这种土体被水透过的性质，称为土的渗透性。1896年，法国学者达西（Darcy,H.）根据砂土渗透实验（图3.2） （3.1） v—渗透速度 h—水头差 （m） L—渗径（m） k—土的渗透系数（permeability coefficient ））v=k(I-I0) (3.2) 在图3.3中绘出了砂土与粘土的渗透规律。直线a表示砂土的v-I关系，它是通过原点的一条直线。粘土的v-I关系是曲线b（图中虚线所示），d点是粘土的起始水头梯度，当土中水头梯度超过此值后水才开始渗流。一般常用折线c代表曲线b,即认为e点是粘土的起始水头梯度I0，其渗流规律用式(2.2)表示。 土的渗透系数可用室内渗透试验和现场抽水试验来确定。 3.3渗流场理论 3.3.1 渗流连续方程 考虑图3.4 中立方土体dxdydz,在渗流过程中，dt时间内在x轴方向流进微元体的流量为γωvxdydzdt,流出微元体的流量为，在x轴方向两者的差值为，其中为沿x轴方向的渗流速度，为流体的重度。同样在时间内，在y轴和z轴方向流进微元体和流出微元体流量的差值分别为和。在土体孔隙率保持不变，流体不可压缩条件下，微元体在x、y、z三个方向流如总流量和流出总流量应保持不变，即下式成立： （3.4） （3.5）） （3.6）――分别为x、y、z方向的渗透系数。 将式（3.6）代入式（2.5），得 （3.7） 若，则有 （3.8） 对于二维渗流问题，在xy平面上，上式简化为 （3.9）流网一经绘出，我们就可以从流网图形上直观地获得流动特性的总轮廓。如图3.5所示愈接近坝底，流线愈密集，表明该处的水力梯度愈大，渗透速度也愈大；而离坝底愈远，流线愈稀疏，则水力梯度愈小。根据流网还可以定量地确定渗流场中的水头，孔隙水应力和水力梯度等。 3.4 渗透破坏的类型 3．4．1 渗透破坏的类型 自50年代以来，对岩土体渗透破坏主要从宏观对比深入到机理研究，根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种模式。前两种模式发生在单一岩土层中，后两种模式则发生在成层土中。 (1)流土。在上升流作用下，动水压力超过土重度时，土体的表面隆起、浮动或某一颗粒群的同时起动而流失的现象称为流土。流土主要发生在渗流出口无任何保护的部位。流土可使土体完全丧失强度，危及建筑物的安全。 (2)管涌。在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中流失的现象称为管涌。主要发生在内部结构下稳定的砂砾石层中。 (3)接触流失。在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中，当渗流垂直于层面运动时，将细粒层(渗透系数小)的细颗粒带入粗粒层(渗透系数较大层)的现象称为接触流失。包括接触管涌和接触流土两种类型。 (4)接触冲刷。渗流沿着两种不同粒径组成的土层层面发生带走细颗粒的现象。在自然界中，沿两种介质界面诸如建筑物与地基、土坝与涵管等接触面流动促成的冲刷，均属此破坏类型。 3.5.2渗透变形产生的条件 根据渗透破坏的机理，可将产生渗透变形的条件分为两种类型，其一是动水压力和土体结构，它们是产生渗透变形的必要条件；另一类则是地质条件和工程因素，称之为充分条件。只有当土具备充分必要条件时，才发生渗透破坏。 1) 渗流动水压