1、,第3章 土的渗透性与渗流,工程地质及土力学,土木工程系,3.4 渗透力及渗透变形,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 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 = wh /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
2、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 = wi,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；,icr =/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。,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
3、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。,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。,渗流,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）,典型的流土破坏,二、管涌,3.4.3 渗透变形（
4、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。,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,Cu10 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
5、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,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,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）,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,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
6、效应力原理,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,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,（一）渗流方向由上向下,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,（二）渗流方向由下向上,h,hw,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,h,hw,（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
7、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=17.6 kN/m3，饱和重度sat=19.6kN/m3；粘土层的饱和重度sat=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：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,考核要求,
