1、第4章 土的渗透性与固结,4.1 概述,渗漏水库和渠道中的水常通过堤坝、水闸及其地基产生渗流。 渗透力水在土体中渗流，水流对土颗粒作用形成的作用力。 渗透变形渗透力较大时，就会引起土颗粒的移动，甚至把土颗粒带出而流失，使土体产生变形和破坏。 深基坑开挖时，人工降低地下水位，若降低的较大，就会产生较大的渗流，使基坑背后土层产生渗透变形而下沉，造成邻近建筑物及地下管线的不均匀沉降，建筑物的开裂及管线的破坏，危及安全与使用。,4.2 土的渗透规律,对渗流的简化： 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。,4.2.1渗流模型
2、,4.2.2土的层流渗透定律,达西定律：水在土中的渗透速度与水头梯度成正比。,v渗透速度（m/s）； I水头梯度，即沿着水流方向单位长度上的水头差；k渗透系数（m/s）。,在粘土中，应按下述修正后的达西定律：,I0克服此抗剪强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度。,4.2.3土的渗透系数,室内试验测定法 常水头渗透试验F土的截面积 l渗透距离 Q在时间 t内流过土样的流量 H水头差 。,变水头渗透试验F土样的截面积 l土样的高度 a储水管截面积 h1储水管水头 h2经过时间 t后储水管水头,现场抽水试验 在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，在根据相
3、应的理论公式求出渗透系数k值。 无压完整井r1 r r2范围内的k平均值,成层土的渗透系数 土层水平向的平均渗透系数：土层竖向的平均渗透系数：各层土的渗透系数为ki、厚度为hi,4.2.4影响土的渗透性的因素,土的粒度成分及矿物成分 结合水膜的厚度 土的结构构造 水的粘滞性 土中气体,4.3 二维渗流与流网,工程上的渗流情况常属于边界条件复杂的二维、三维渗流问题。 土介质中渗流特性逐点不同，渗流途径非直线，不能再视为一维渗流，而是一个复杂的渗流场，常用微分方程表示，按边界条件求解。,4.3.1二维渗流基本方程,二维渗流的连续方程二维渗流水头变化的拉普拉斯（Laplace）方程，是平面稳定渗流的
4、基本方程。,势函数等势线流函数势函数 和流函数 都满足Laplace方程，它们是共轭调和函数,流网等势线和流线在平面上为相互正交的两线簇，若按一定间距绘出，则形成相互垂直的流网。 性质： 流线与等势线彼此正交。 果在流网中各等势线间的差值相等，各流线间的差值也相等，则网格的长宽比 为常数，若令长宽比为1，则流网网格呈曲线正方形。 相邻两等势线间的水头损失相等。 相邻两流线间的水流通道称为流槽，流网上各流槽的流量相等。,流网绘制方法 首先根据渗流场的边界条件，确定边界流线和边界等势线 按照绘制流网的原理，试绘流网 反复修改流网图，以满足流网原理的要求,流网的应用 测压管水头 孔隙水压力 水力梯度
5、 渗透流速 渗流流量,4.4 渗透力及渗透破坏,水在土体或地基中渗流，将引起土体内部应力状态的改变。 渗流可能导致土体内细颗粒被冲走、带走或土体局部移动，引起土体的变形（常称为渗透变形）； 渗透的作用力可能会增大坝体或地基的滑动力，导致坝体或地基滑动破坏，影响整体稳定性。,4.4.1渗透力,渗透力单位体积土骨架所受到的推力。就是水流沿土颗粒表面切过的拖曳摩擦作用于土骨架体积的合力。 渗透力的大小与单位土体内水流所受到的阻力大小相等，方向相反，与渗流（或流线）的方向一致：,4.4.2临界水头梯度,临界水力梯度渗流作用于土体开始发生流土时的水力梯度。此式求得的水力梯度偏小，约比一般试验值小15%2
6、0%。 临界水力梯度的大小还与渗透变形的类型和土的类型有关。,4.4.3渗透变形,流土在渗流向上作用时，土体表面局部隆起或者土颗粒同时发生悬浮和移动的现象。 表现形式 双层地基表层为透水性较小且厚度较薄的粘土层，下卧层为渗透性较大的无粘性土层。主要呈表层隆起，砂粒涌出，整块上体被抬起，这是典型的流土破坏。 地基为均匀的砂土层，砂土的不均匀系数Cu10，地表普遍出现小泉眼，冒气泡，继而土粒群向上举起，发生浮动，跳跃，成为砂沸。,管涌在渗透水流的作用下，土体中的细土粒在粗土粒间的孔隙通道中随水流移动并被带出流失的现象。 管涌一般产生在砂砾石地基中。,4.5 太沙基一维固结理论,渗透固结（简称固结）
7、施加荷载压力增量后，土的骨架受压产生压缩变形，导致土孔隙中水产生渗流，孔隙中水随时间的发展逐渐渗流排出，孔隙体积缩小，土体体积逐渐压缩，最后趋于稳定。 饱和粘性土，土的体积压缩主要是由土孔隙中的水排出引起的。 一维（单向）固结应力与变形只有竖向变化，渗流也只有竖向渗流。,4.5.1固结与固结过程,弹簧活塞模型 当 时， 当 时， 当 时， 饱和土渗流固结的过程，即孔隙水压力消散和有效应力增长的过程。,4.5.2固结理论解,太沙基一维固结理论假定： 土是均质、各向同性和完全饱和的； 土粒和孔隙水是不可压缩的； 水的渗出和土的压缩只沿竖向发生，水平方向不排水，不发生压缩； 水的渗流服从达西定律，A
8、渗透系数k保持不变； 在固结过程中，压缩系数保持不变； 外荷载一次骤然施加。,饱和土层的一维固结微分方程Cv土的固结系数（cm2/s，m2/a ） 初始条件及其边界条件为： 得特殊解如下：m正奇整数； e自然对数的底； H最大的排水距离，当土层为单面排水时， 为土层的总厚度，双面排水时， 为土层厚度之半； Tv时间因子，（无量纲）；Cv固结系数； t固结的历时（天或年）； z荷载 在土层中引起的附加应力。,4.5.3固结度,固结度在某一荷载压力作用下，历时t 的土层体积压缩量，与主固结完成时的体积压缩量之比。附加应力或初始孔隙水压力均匀分布的固结度：取第一项以满足工程的要求：,4.6 地基沉降
9、与时间的关系,饱和土的压缩变形是在外荷载作用下使得充满于孔隙中的水逐渐被挤出，固体颗粒压密的过程。 排水时间长短的因素 土层排水的距离 土粒粒径与孔隙的大小 土层的渗透系数 荷载大小和压缩系数的高低等。,4.6.1地基沉降与时间关系的理论计算法,已知地基的最终变形，求某特定时刻的变形 当土层的渗透系数 ，压缩系数 或压缩指数 ，孔隙比 和压缩层的厚度 ，以及给定的时间 已知时 可根据已知值分别算出土层的固结系数和时间系数 在Ut-Tv线上，查出相应的固结度，按下式计算某一时刻的变形量。,已知地基的最终变形，求当土层达到一定变形时所需时间 先求出土层的固结度 ， 再从 Ut-Tv曲线上查出相应的时间系数 ， 按下式求出相应的时间。,4.6.2地基沉降与时间关系的经验估算法,双曲线式a为经验参数，s 为最终沉降量。 以t为横坐标，以 为 纵坐标，将已掌握的stt实测数据值按此坐标点绘在坐标系中； 根据这些点作出一回归线，根据直线的斜率 a、截距b即可求得s 和 a； 得到了用双曲线法推算的后期 关系stt 。,对数曲线法A、B待定参数 利用已有的沉降时间实测关系曲线的末段，在实测曲线上选择三点 t1st1、 t2st2、 t3st3 值； t=0 时刻选在施工期的一半处开始，代入上式即可确定出式（4.70）中三个待定值； 得到了用对数曲线法推算的后期的stt 关系。,完,
