1、土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l本章將主要討論水在土體中的滲透性及本章將主要討論水在土體中的滲透性及滲透規律，以及滲透力及滲透變形等問滲透規律，以及滲透力及滲透變形等問題。題。 l通過本章學習，掌握土的滲透性通過本章學習，掌握土的滲透性（達西（達西定律），定律），掌握水頭、測管水頭、水力坡掌握水頭、測管水頭、水力坡降的概念，熟悉滲透系數的測定方法，降的概念，熟悉滲透系數的測定方法，特別是層狀地基的等效滲透系數的確定。特別是層狀地基的等效滲透系數的確定。學會應用二維滲流流網確定測管水頭、學會應用二維滲流流網確定測管水頭、孔隙水壓力、水力坡降、滲透速

2、度和滲孔隙水壓力、水力坡降、滲透速度和滲透流量。透流量。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l土是由固體相的顆粒、孔隙中的液體和土是由固體相的顆粒、孔隙中的液體和氣體三相組成的，而土中的孔隙具有連氣體三相組成的，而土中的孔隙具有連續的性質，當土作為水土建筑物的地基續的性質，當土作為水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料時，或直接把它用作水土建筑物的材料時，水就會在水頭差作用下從水位較高的一水就會在水頭差作用下從水位較高的一側透過土體的孔隙流向水位較低的一側。側透過土體的孔隙流向水位較低的一側。滲透是水頭差作用下，水透過土體孔隙滲透是水頭差作用

3、下，水透過土體孔隙的現象。土允許水透過的性能稱為土的的現象。土允許水透過的性能稱為土的滲透性。滲透性。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l一、滲流中的總水頭與水力坡降一、滲流中的總水頭與水力坡降l前提：流體是連續介質，流體是不可壓縮的，流體前提：流體是連續介質，流體是不可壓縮的，流體是穩定流，且流體不能通過流面流進或流出該元流。是穩定流，且流體不能通過流面流進或流出該元流。 l斷面積分別為斷面積分別為w1和和 w2、流速分別為、流速分別為v1和和v2斷面斷面處：處：土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.091212

4、wwv dwv dw1 122vw vwl上式表明：上式表明：通過穩定總流任意過水斷面的流量通過穩定總流任意過水斷面的流量相等；或穩定總流過水斷面平均流速與過水斷相等；或穩定總流過水斷面平均流速與過水斷面面積成反比。面面積成反比。l水頭：實際上就是單位重量水體所具有的能量。水頭：實際上就是單位重量水體所具有的能量。 l飽和土體空隙中的滲透水流飽和土體空隙中的滲透水流 ，用水頭的概念來，用水頭的概念來研究水體流動中的位能和動能。研究水體流動中的位能和動能。1 12 2wvwv土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l理想重力的能量方程式（伯努利方程式理想重力

5、的能量方程式（伯努利方程式1738年年瑞士數學家應用動能定理推導出來的）。瑞士數學家應用動能定理推導出來的）。l飽和土體空隙中的滲透水流，也遵從伯努利方飽和土體空隙中的滲透水流，也遵從伯努利方程，并用水頭的概念來研究水體流動中程，并用水頭的概念來研究水體流動中l的位能和動能。的位能和動能。 cgvrpz22土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.0922wuvrghz 液流中一點液流中一點的的總水頭總水頭h，可以用可以用位置位置水頭水頭z，壓力壓力水頭水頭u/rw和和流速水頭流速水頭v2/2g之和表之和表示，即：示，即：水頭：實際上就是單位重量水水頭：實際上就

6、是單位重量水體所具有的能量。體所具有的能量。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09la,b兩點的總水頭可分別表示為：l 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l1. 1956年，達西利用試驗裝置，對砂土的滲流年，達西利用試驗裝置，對砂土的滲流性進行了研究性進行了研究 。下圖：達西滲透試驗裝置。下圖：達西滲透試驗裝置 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l研究中發現水在土中的滲流速度與試樣兩端面間的水頭差研究中發現水在土中的滲流速度與試樣兩端面間的水頭差成正比，而與滲流長度

7、成反比，于是他把滲流速度表示為：成正比，而與滲流長度成反比，于是他把滲流速度表示為：l這就是著名的達西定律，這就是著名的達西定律，l式中式中v：表示斷面平均滲透速度，單位：表示斷面平均滲透速度，單位：mm/slk：滲透系數，（：滲透系數，（mm/s）其物理意義是當水力坡降）其物理意義是當水力坡降i=1時的時的滲透速度。滲透速度。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l達西定律說明：達西定律說明：l（1）在層流狀態的滲流中，滲流速度）在層流狀態的滲流中，滲流速度v與與水力坡降的一次方成正比，并與土的性質水力坡降的一次方成正比，并與土的性質有關。或砂土的滲

8、透速度與水力坡降呈線有關。或砂土的滲透速度與水力坡降呈線性關系。性關系。l（2）但對于密實的粘土，由于吸著水具有）但對于密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此只有當水力坡降達較大的粘滯阻力，因此只有當水力坡降達到某一數值，克服了吸著水的粘滯阻力以到某一數值，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發生滲透。將一開始滲透時的水后，才能發生滲透。將一開始滲透時的水力坡降稱為粘性土的起始水力坡降力坡降稱為粘性土的起始水力坡降i。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l密實的粘土不但存在起始水力坡降，而且當水密實的粘土不但存在起始水力坡降，而且當水力坡降超過起始

9、坡降后，滲透速度與水力坡降力坡降超過起始坡降后，滲透速度與水力坡降的規律還偏離達西定律而呈線性關系。的規律還偏離達西定律而呈線性關系。l 式中：式中： 指密實粘土的起始水力坡降。指密實粘土的起始水力坡降。0i砂土和粘性土的滲透規律砂土和粘性土的滲透規律 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l試驗也表明，在粗顆粒土中（如礫石，試驗也表明，在粗顆粒土中（如礫石，卵石），在較大的水力坡降下，水在土卵石），在較大的水力坡降下，水在土中的流動即進入紊流狀態，滲透速度與中的流動即進入紊流狀態，滲透速度與水力坡降呈非線性關系，此時達西定律水力坡降呈非線性關系，此時達

10、西定律不能適用。不能適用。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l對于粗顆粒的礫、卵石對于粗顆粒的礫、卵石土，只有在小的水力坡土，只有在小的水力坡降下，滲透速度與水力降下，滲透速度與水力坡降才呈直線關系，而坡降才呈直線關系，而在較大的水力坡降下，在較大的水力坡降下，水在土中的流動進入紊水在土中的流動進入紊流狀態，滲透速度與水流狀態，滲透速度與水力坡降呈非線性關系，力坡降呈非線性關系，此時達西定律同樣不能此時達西定律同樣不能適應，可用下式表示適應，可用下式表示 vkim土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l用達西定

11、律計算出的滲用達西定律計算出的滲透速度不是水在土中的透速度不是水在土中的滲透速度，而是一個假滲透速度，而是一個假想的平均速度，因為它想的平均速度，因為它假定水在土中的滲透是假定水在土中的滲透是通過整個土體截面進行通過整個土體截面進行的，而實際上，滲透水的，而實際上，滲透水不僅僅通過土體中的孔不僅僅通過土體中的孔隙流動，因此，隙流動，因此，水在土水在土中的實際平均流速要比中的實際平均流速要比用達西定律所求得的數用達西定律所求得的數值大得多值大得多 aqv 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l（1）土中水的滲透速度即為其實際流動速度。）土中水的滲透速度即

12、為其實際流動速度。（ ）l1）什么是達西定律？寫出其表達式？說明其）什么是達西定律？寫出其表達式？說明其中字符的含義。中字符的含義。 l（7）達西滲透）達西滲透定律的適用條件是什么？砂土、粗粒土（指卵石、礫石等）、粘性土的滲透定律有何不同，繪圖示意。用達西定律計算出的滲透速度是不是孔隙水在水中的真實的滲透流速，它們在物理概念上有何區別？ 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l（一）、滲透系數的測定和影響因素滲滲透透系系數數的的測測定定方方 法法 實驗室測定法實驗室測定法 現場測定法現場測定法 常水頭測定法常水頭測定法 變水頭試驗法變水頭試驗法 適用于透

13、水性大適用于透水性大的砂性土的砂性土 適用于透水性小的適用于透水性小的粘質土和枌質土粘質土和枌質土 實測流速法實測流速法 抽水法抽水法 注水法注水法 色素法、電解質法、色素法、電解質法、食鹽法食鹽法 降低水位法：平衡法，降低水位法：平衡法，不平衡法、水位恢復法不平衡法、水位恢復法 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l抽水試驗是工程地質勘察中查明建筑場地的地層滲透性，測定有關水文地質參數常用的方法之一。一般鉆孔或探井簡易抽水，可用于粗略估計弱透水層的滲透系數；不帶觀測孔的抽水可初步判斷含水層的滲透系數；而要較準確地求得含水層的各種參數，需要帶觀測孔的抽

14、水試驗。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l抽水孔抽水孔(井井)位置應根據試驗的目的，結合場地水文地質位置應根據試驗的目的，結合場地水文地質條件、地形地貌條件等，布置在有代表性的地段。觀條件、地形地貌條件等，布置在有代表性的地段。觀測孔應圍繞抽水孔布置測孔應圍繞抽水孔布置12排，首先應布置在與地下水排，首先應布置在與地下水流向相垂直的方向上；當布置兩排時，另一排應布置流向相垂直的方向上；當布置兩排時，另一排應布置在平行地下水流向的方向上在平行地下水流向的方向上(圖圖8-16)。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009

15、.09l計算參透系數計算參透系數kl對于均質等厚、無限邊界的完整井，當對于均質等厚、無限邊界的完整井，當測得井中水位降深測得井中水位降深sw和影響半徑和影響半徑r時時 l對承壓水：對承壓水：l潛水： wsrmqkwln2wwrhhqkln)(22土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09（二）影響滲透系數的因素（二）影響滲透系數的因素影影響響滲滲透透系系數數的的因因素素土的粒度成分和土的粒度成分和礦物成分的影響礦物成分的影響 孔隙比對滲透系數孔隙比對滲透系數的影響的影響 土的結構構造的影響土的結構構造的影響 結合水膜厚度的影響結合水膜厚度的影響 土中氣體的影

16、響土中氣體的影響 土的顆粒大小，形狀及級配土的顆粒大小，形狀及級配，影響土中孔隙大小及形狀，影響土中孔隙大小及形狀，因而影響滲透性。因而影響滲透性。孔隙比的影響，主要決定于孔隙比的影響，主要決定于土體中的孔隙體積，而孔隙土體中的孔隙體積，而孔隙體積又決定于孔隙的直徑大體積又決定于孔隙的直徑大 小，決定于土粒大小和級配。小，決定于土粒大小和級配。 天然土層通常不是各向同性的天然土層通常不是各向同性的豎直方向的滲透系數與水平方豎直方向的滲透系數與水平方向的滲透系數相差很大。向的滲透系數相差很大。 當土孔隙中存在密閉氣泡時，會阻塞當土孔隙中存在密閉氣泡時，會阻塞水的滲流，從而降低滲透性。水的滲流，從

17、而降低滲透性。 粘性土中若土粒的結合水膜較厚時，粘性土中若土粒的結合水膜較厚時，會阻塞土的孔隙，降低土的滲透性。會阻塞土的孔隙，降低土的滲透性。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l二、層狀地基的等效滲透系數二、層狀地基的等效滲透系數l天然沉積土往往是由滲透性不同的土層所組天然沉積土往往是由滲透性不同的土層所組l成。其中以與土層層面平行和垂直的簡單滲流情成。其中以與土層層面平行和垂直的簡單滲流情況最典型。況最典型。l水平滲流情況：水平滲流情況：l知地基內各層土的滲透系數分別為

18、知地基內各層土的滲透系數分別為k1，k2，k3,kn，厚度分別為，厚度分別為h1，h2，hn，總厚度，總厚度為為h。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l沿水平方向的等效滲透系數沿水平方向的等效滲透系數kxl豎直滲流情況豎直滲流情況 ：l沿豎直方向的等效滲透系數沿豎直方向的等效滲透系數ky土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l上述滲流屬簡單邊界條件下的單向滲流，上述滲流屬簡單邊界條件下的單向滲流，只要滲透介質的滲透系數和厚度以及兩只要滲透介質的滲透系數和厚度以及兩端的水頭或水頭差為已知，介質內的流端的水頭或水頭

19、差為已知，介質內的流動特征均可根據達西定律確定。動特征均可根據達西定律確定。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l在工程上遇到的滲流問在工程上遇到的滲流問題，邊界條件要復雜得題，邊界條件要復雜得多，水流形態往往是多多，水流形態往往是多個方向的，例如常見開個方向的，例如常見開挖基坑的滲流（圖挖基坑的滲流（圖3-5），），這時，介質內的流動特這時，介質內的流動特性常逐點不同，并且只性常逐點不同，并且只能以微分方程的形式表能以微分方程的形式表示，然后根據邊界條件示，然后根據邊界條件進行求解。進行求解。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地

20、基基礎2009.09l一、穩定滲流場中的拉普拉斯方程一、穩定滲流場中的拉普拉斯方程l設從穩定滲流場中任取一微分單元土體，其面積設從穩定滲流場中任取一微分單元土體，其面積為為dxdy，如圖若單位時間內在，如圖若單位時間內在x方向流入單元體的方向流入單元體的水量為水量為qx，流出的水量為，流出的水量為 ，在，在y方向流入方向流入l水量為qy，流出的水量為 。xxqdxxq yyqdyyq土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l假定在滲流作用下單元的體積保持不變，假定在滲流作用下單元的體積保持不變，水又是不可壓縮的，則單位時間內流入水又是不可壓縮的，則單位時間

21、內流入單元體的總水量必等于流出的總水量，單元體的總水量必等于流出的總水量，即即)(yxxyxyqqqdxdyxyqqq土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l根據達西定律，根據達西定律，qx=kxixdy , qy=kxiydx；其中；其中x和和y 方向的水力坡降分別為方向的水力坡降分別為 l將上列關系式代入上式中并經簡化后可得 22220yxhhdyxykkxhxiyhiy0yxqqdxdyxyl這就是各向異性土在穩定滲流時的連續方程。這就是各向異性土在穩定滲流時的連續方程。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09

22、l如果土是各向同性的，即如果土是各向同性的，即kx=ky,則上式可改則上式可改寫成：寫成：l這就是著名的拉普拉斯方程這就是著名的拉普拉斯方程 ,是描述穩定滲是描述穩定滲流的基本方程式流的基本方程式。 22220hhdxdyxy土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l二、流網的特征及應用二、流網的特征及應用l滿足拉普拉斯方程的將是兩組彼此正交的曲線。滿足拉普拉斯方程的將是兩組彼此正交的曲線。就滲流而言，一組曲線稱為等勢線，在任一條就滲流而言，一組曲線稱為等勢線，在任一條等勢線上各點的勢能是等。等勢線上各點的勢能是等。l只有滿足邊界條件的流線和等勢線的組合形

23、式只有滿足邊界條件的流線和等勢線的組合形式才是拉普拉斯方程的正確解答。才是拉普拉斯方程的正確解答。 l等勢線和流線示意圖等勢線和流線示意圖土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l流網即為一族流網即為一族流線流線和和等勢線等勢線交織而成的網格，交織而成的網格，根據水力學，具有下列特征：根據水力學，具有下列特征：l(1)流線和等勢線彼此正交；流線和等勢線彼此正交；l(2)每個網格的長寬比值為常數，這時的網格每個網格的長寬比值為常數，這時的網格就成為正方形或曲線正方形；就成為正方形或曲線正方形；l(3)相鄰等勢線的水頭損失相等；相鄰等勢線的水頭損失相等；l(4

24、)各流糟的滲流量相等各流糟的滲流量相等。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l流網繪出后，即可求得滲流場中各點的流網繪出后，即可求得滲流場中各點的測管水頭，水力坡降，滲透流速和滲流測管水頭，水力坡降，滲透流速和滲流量量。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l1測管水頭測管水頭l水頭損失水頭損失l式中：式中： ：上，下游水位差：上，下游水位差 l n：等勢線間隔數：等勢線間隔數l n:等勢線數等勢線數 l :每一條等勢線間隔所消耗的水頭每一條等勢線間隔所消耗的水頭l從而可求流網中任一點的測管水頭從而可求流網中任一

25、點的測管水頭1hhnnhhhuzhh土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l2.孔隙水壓力孔隙水壓力u l滲流場中各點的孔隙水壓力，等于該點以上測壓管滲流場中各點的孔隙水壓力，等于該點以上測壓管中的水柱高度中的水柱高度hu乘以水的容重乘以水的容重rwl3水力坡降水力坡降l 流網中的任意網格的平均水力坡降：流網中的任意網格的平均水力坡降：l 為該網格處流線的平均長度，可見為該網格處流線的平均長度，可見 減小則流減小則流網網格越密。網網格越密。 l uwruhhlill土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l4滲透速度

26、滲透速度l各點的水力坡降已知后，滲透速度的大小可根據各點的水力坡降已知后，滲透速度的大小可根據達西定律求出：即達西定律求出：即vki，其方向為流線在該點的，其方向為流線在該點的切線方向。切線方向。l5滲透流量滲透流量l單寬流量：單寬流量：l ：流網網格的寬度：流網網格的寬度 l 即相鄰流線間的單寬流量相等。即相鄰流線間的單寬流量相等。 l通過壩下滲流區的總單流量：通過壩下滲流區的總單流量：l通過壩底的總滲流量：通過壩底的總滲流量： hslqk ssl hqk qm qmk hq mk hlqql土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l當kx ky 時 ，

27、l但對各向異性土，即但對各向異性土，即kx ky時，時，l將上式兩邊同除以將上式兩邊同除以ky,得得l令：l則：l 22220hhxy22220 xyhhkkxy22220()yxhhkyxk22220hhxyyxkxkx 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l可見：對于各向異性土，只要把水平坐標可見：對于各向異性土，只要把水平坐標xl乘以比例尺乘以比例尺 轉換新坐標轉換新坐標x，同時保，同時保l持持y的比例尺不變，就會按各向同性土來處的比例尺不變，就會按各向同性土來處理。由此繪得的流網稱變態流網。理。由此繪得的流網稱變態流網。l利用變態正交流網求滲流

28、量：利用變態正交流網求滲流量：yxkkehqk ehqmkexyk kk土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l滲流所引起的變形（穩定）問題一般可歸滲流所引起的變形（穩定）問題一般可歸結為兩類：結為兩類：l一類是土體的局部穩定問題。這是由于滲一類是土體的局部穩定問題。這是由于滲透水流將土體中的細顆粒沖出，帶走或局透水流將土體中的細顆粒沖出，帶走或局部土體產生移動，導致土體變形而引起的部土體產生移動，導致土體變形而引起的滲透變形滲透變形。l另一類是整體穩定問題。這是在滲流作用另一類是整體穩定問題。這是在滲流作用下，整個土體發生滑動或坍塌。下，整個土體發生滑

29、動或坍塌。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09堤堤 岸岸 19981998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江60006000余處余處險情中就有險情中就有400400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。 一般來說，長江中下一般來說，長江中下 游平原沖積地層，上面是粘性土；往游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強透水層，在河床中露頭與河水相通。礫及卵石等強

30、透水層，在河床中露頭與河水相通。 在汛期高水在汛期高水位時由于滲水流經強透水層壓力損失很小，堤內數百米范圍內位時由于滲水流經強透水層壓力損失很小，堤內數百米范圍內粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的情況下），從而發生管涌。情況下），從而發生管涌。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09 2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區間隧道浦西聯

31、絡通道發生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時左右，地面建筑物中山南路847號一幢八層樓房發生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l1.滲透力演示試驗滲透力演示試驗 l將滲透水流施于單位土體內土粒上的拖將滲透水流施于單位土體內土粒上的拖曳力稱為曳力稱為滲透力滲透力。l滲透試驗示意圖滲透試驗示意圖l 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l(1)當當a與與b水平平齊時，則無水平平齊時，則無滲流發生滲流發生;l(2)若將若將b提升，則提

32、升，則b內的水就內的水就透過砂樣透過砂樣a從溢水口流出。提從溢水口流出。提得越高，水流越快。得越高，水流越快。l(3)當當b提升到某一高度時，可提升到某一高度時，可看到砂土出現像沸騰那樣的看到砂土出現像沸騰那樣的現象（砂沸）設水下土顆粒現象（砂沸）設水下土顆粒有效重力為有效重力為w（土粒重力與（土粒重力與水的浮力之差），豎直向上水的浮力之差），豎直向上的滲透力為的滲透力為j，則土粒實際合，則土粒實際合力力rwj。l當當jw時，時，r0，土粒處于，土粒處于懸浮狀態，出現上述現象。懸浮狀態，出現上述現象。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l2滲流時的受力

33、分析滲流時的受力分析l從滲流場中取一流網格（土體）從滲流場中取一流網格（土體）abcd, l見下圖：（見下圖：（a)擋土墻平面滲流場擋土墻平面滲流場 (b)單元單元體中的側壓管水頭體中的側壓管水頭 (c)單元體孔隙水壓力單元體孔隙水壓力分布圖分布圖土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09lab，dc為等勢線，為等勢線，ad，bc為流線，網格為流線，網格l長為長為l，寬為，寬為b，（兩邊，（兩邊h0相等，因為相鄰兩流相等，因為相鄰兩流線）線）：流線：流線ad與水平線夾角。與水平線夾角。l(1) 土體整體受力分析土體整體受力分析l以網格以網格ab，cd整體作為

34、分析對象，網格土體整體作為分析對象，網格土體上作用力有：上作用力有：lwrsatbl1, rsat 為飽和土體自重（土粒為飽和土體自重（土粒重與孔隙水重之和）；重與孔隙水重之和）；lfw1, fw2, fw3, fw4, 為周圍土體中孔隙水作為周圍土體中孔隙水作用在網格邊界上的孔隙水壓力；用在網格邊界上的孔隙水壓力；lfs1,fs2,fs3,fs4 為周圍土顆粒作用在網格邊界為周圍土顆粒作用在網格邊界上的粒間壓力；上的粒間壓力；lts1,ts2,ts3,ts4 為周圍土顆粒作用在網格邊界為周圍土顆粒作用在網格邊界上的粒間剪力。上的粒間剪力。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學

35、與地基基礎2009.09l(2) 孔隙水體的受力分析孔隙水體的受力分析lgrwvrwlb1 為孔隙水重為孔隙水重力及浮力的反作用之和力及浮力的反作用之和;lfw1fw2= (h1h2)b1 為為ab，cd面上孔隙水壓力合力，平行水流方向面上孔隙水壓力合力，平行水流方向;lfw3fw4=h0l,為為ad，b面上孔面上孔隙水壓力合力，與水流方向垂直。隙水壓力合力，與水流方向垂直。l設土粒對水流的阻力為設土粒對水流的阻力為js，沿水流方向，沿水流方向分量為分量為jst，垂直水流方向分量為，垂直水流方向分量為jsnl取水流方向的力的平衡，可得取水流方向的力的平衡，可得:土力學與地基基礎土力學與地基基礎

36、土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l因為：l所以：l即在垂直流向的分量即在垂直流向的分量jsn0，也是水流阻力，也是水流阻力js=jst與流線方向重合。與流線方向重合。l取水流方向力的平衡，可得取水流方向力的平衡，可得l 34)cos0(wwsnfjgfcosohb12()sin0wwsffjg34000()cos()0osnwwwwawwhffgr h l r lr h l r h lbj土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l則：l滲流對土粒的滲透力與阻力滲流對土粒的滲透力與阻力js大小相等，方向大小相等，方向相反，得相反，得:1212)

37、21()sin()/1swwwwawjffgr hh br l hhhrbh wjrbh 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l單位體積土體內土粒所受到的單位滲透力j為:ilhblbhvjjwww1土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l3滲透力的特征與計算滲透力的特征與計算l滲透力具有以下特征：滲透力具有以下特征：l(1)滲透力是一種體積力，量綱為滲透力是一種體積力，量綱為kn/m3l(2)滲透力與水力坡降成正比滲透力與水力坡降成正比 l(3)滲透力方向與滲流方向一致。滲透力方向與滲流方向一致。l當滲流場中各個

38、網格的水力坡降當滲流場中各個網格的水力坡降i求得后，應求得后，應用式用式 可確定單位滲透力可確定單位滲透力 ；網格總；網格總的滲透力的滲透力 ；其方向與流向一致。；其方向與流向一致。l整個流場的總滲透力矢量整個流場的總滲透力矢量j即為各網格滲透力即為各網格滲透力的矢量和。的矢量和。wjr iwjr iiwjr iiiiijjbi土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l（2）滲透力是一種）滲透力是一種 力。它的大小和力。它的大小和 成正比，作用方向與成正比，作用方向與 相一致。相一致。l（3）滲透力的含義及計算公式）滲透力的含義及計算公式是是 。 土力學與

39、地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l（5）在滲流場中某點的滲透力（）在滲流場中某點的滲透力（a ）l a 隨水力坡降（水力梯度）增加而增隨水力坡降（水力梯度）增加而增加；加；b 隨水力坡降（水力梯度）增加而隨水力坡降（水力梯度）增加而減小；減小；c 與水力坡降無關。與水力坡降無關。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l土工建筑及地基由于滲透作用而出現或土工建筑及地基由于滲透作用而出現或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。破壞稱為滲透變形或滲透破壞。l(一一)滲透變形的類型滲透變形的類型l按照滲透水流所引起的局部破壞的特征，按

40、照滲透水流所引起的局部破壞的特征，滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形式。但就土本身性質來說，只有管涌和式。但就土本身性質來說，只有管涌和非管涌之分。非管涌之分。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09滲滲透透變變形形的的類類 型型 流土流土 管涌管涌 流土是指在向上滲流作用下，流土是指在向上滲流作用下，局部土體表面隆起，或者顆粒局部土體表面隆起，或者顆粒群同時起動而流失的現象。它群同時起動而流失的現象。它主要發生在地基或土壩下游滲主要發生在地基或土壩下游滲流溢出處。流溢出處。 管涌是指在滲流作用下土體中管涌是指在滲流作用下

41、土體中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙道中發生移動并被帶走的現象。道中發生移動并被帶走的現象。管涌土分為危險性管涌土和非管涌土分為危險性管涌土和非管涌性土。管涌性土。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l(二二)土的臨界水力坡降土的臨界水力坡降l1流土型的臨界水力坡降流土型的臨界水力坡降l現從滲流溢出處取一單位土體，則該單位土體現從滲流溢出處取一單位土體，則該單位土體上有土體本身的有效重量上有土體本身的有效重量rl以及豎直向上的滲透力l當豎向滲透力等于土體的有效重量時，即r=j，土體就處于流土的臨界狀態。若設這時的水力坡降為icr,

42、則根據上述條件苛求得：l 或l wjr iedgws1) 1()1)(1(ndiscrediscr11土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l因此只要我們將滲流溢出處的水力坡降，因此只要我們將滲流溢出處的水力坡降，l即溢出坡降即溢出坡降ic求出，就可判別流土的可能性：求出，就可判別流土的可能性：l當當icicr, 則土體處于穩定狀態則土體處于穩定狀態l當當ic=icr, 則土體處于臨界狀態則土體處于臨界狀態l當當icicr, 則土體處于流土狀態則土體處于流土狀態l溢出坡降溢出坡降ic實際上不可能求出的，通常是把滲實際上不可能求出的，通常是把滲流溢出處的流

43、網網格的平均水力坡降作為溢出流溢出處的流網網格的平均水力坡降作為溢出坡降的。坡降的。l通常要求將溢出坡降通常要求將溢出坡降ic限制在容許坡降限制在容許坡降i之內，之內，即即 式中式中fs 為流土安全系數為流土安全系數 chil crcsiiif土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l2管涌型土的臨界水力坡降管涌型土的臨界水力坡降l發生管涌的臨界水力坡降目前尚無合適的發生管涌的臨界水力坡降目前尚無合適的公式可循。公式可循。l主要根據試驗時肉眼觀察細顆粒的移動現主要根據試驗時肉眼觀察細顆粒的移動現象和借助于水力坡降象和借助于水力坡降i與流速與流速v之間的變化

44、來之間的變化來判斷管涌是否出現。判斷管涌是否出現。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l(1)臨界水力坡降與不臨界水力坡降與不均勻系數的關系均勻系數的關系l按不均勻系數把土劃按不均勻系數把土劃分為流土型，過渡型分為流土型，過渡型和管涌型三類。和管涌型三類。l土的不均勻系數與臨土的不均勻系數與臨界水力坡降成反比。界水力坡降成反比。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l(2)臨界水力坡降與細料含量的關系臨界水力坡降與細料含量的關系 l土的滲透變形性主要取決于細料的含量，土的滲透變形性主要取決于細料的含量，或者說取

45、決于細料充填粗料孔隙的程度。或者說取決于細料充填粗料孔隙的程度。l(3)臨界水力坡降與滲透系數的關系臨界水力坡降與滲透系數的關系l一般說來，滲透系數越大，則臨界水力一般說來，滲透系數越大，則臨界水力坡降越小。坡降越小。 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l土類按下列方式進行判別：土類按下列方式進行判別：l天然無粘性土：天然無粘性土：l較均勻的土較均勻的土 ：流土型：流土型l（cu5）土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l不均勻的土（不均勻的土（cu5） ：l級配不連續：級配不連續：l p 35 流土流土l p

46、 25 管涌管涌lp（2535） 過渡過渡lp為細粒含量（小于分布曲線中對應粒徑的顆粒含量）為細粒含量（小于分布曲線中對應粒徑的顆粒含量） l 級配連續：級配連續：ld0d3 流土流土ld0d5 管涌管涌ld0 =d3d5 過渡過渡土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l防治流沙防治流沙的關鍵在于控制逸出處的水力的關鍵在于控制逸出處的水力坡降，為了保證實際的逸出坡降不超過坡降，為了保證實際的逸出坡降不超過允許坡降，水利工程上常采取下列工程允許坡降，水利工程上常采取下列工程措施：措施：土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009

47、.09l（1）上游做垂直的防滲帷幕，如混凝土）上游做垂直的防滲帷幕，如混凝土防滲墻、板樁或灌漿帷幕等；（防滲墻、板樁或灌漿帷幕等；（2）上游）上游做水平防滲鋪蓋，以延長滲流途徑，降做水平防滲鋪蓋，以延長滲流途徑，降低下游的逸出坡降；（低下游的逸出坡降；（3）下游挖減壓溝）下游挖減壓溝或打減壓井，貫穿滲透性小的粘性土層，或打減壓井，貫穿滲透性小的粘性土層，以降低作用在粘性土層底面的滲透壓力；以降低作用在粘性土層底面的滲透壓力；（4）下游加透水蓋重，以防止土體被滲）下游加透水蓋重，以防止土體被滲透力所懸浮。透力所懸浮。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l

48、防止管涌防止管涌一般可從下列兩方面采取措施：一般可從下列兩方面采取措施：（1）改變水力條件，降低土層內部和滲）改變水力條件，降低土層內部和滲流逸出處的滲透坡降；（流逸出處的滲透坡降；（2）改變幾何條）改變幾何條件，在滲流逸出處鋪設層間關系滿足要件，在滲流逸出處鋪設層間關系滿足要求的反濾層，是防止管涌破壞的有效措求的反濾層，是防止管涌破壞的有效措施，反濾層一般是施，反濾層一般是13層級配較為均勻層級配較為均勻的砂子和礫石層。的砂子和礫石層。土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09l防滲處理措施防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物滲流處理措施 水工

49、建筑物的防滲工程措施一般以水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”為原則，上為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止滲游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止滲透變形透變形 垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的: :延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲等均屬于垂直截滲 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.09設置水平鋪蓋設置水平鋪

50、蓋 上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑 粘土鋪蓋粘土鋪蓋設置反濾層設置反濾層 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也產生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎加筋土工布反濾層可由土工布代替，上圖為某河堤基礎加筋土工布反濾層 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土

51、力學與地基基礎2009.09排水減壓排水減壓 粘性土粘性土含水層含水層減壓井減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設置為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設置減壓井或深挖排水槽減壓井或深挖排水槽 土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎土力學與地基基礎2009.092.基坑開挖防滲措施基坑開挖防滲措施工程降水工程降水 采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位在基坑內（外）設置排在基坑內（外）設置排水溝、集水井，用抽水水溝、集水井，用抽水設備將地下水從排水溝設備將地下水從排水溝或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位面一級抽水后水位一級抽水后水位二級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水多級井點降水要求