土力学新论：渗透变形揭秘

当水力梯度超过一定的界限值后，土中的渗流水流会把部分土体或土颗粒冲出、带走，导致局部土体发生位移，位移达到一定程度，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。渗透变形主要有两种形式，即流土与管涌。

1.流土

渗流方向与土重力方向相反时，渗透力的作用将使土体重力减小，当单位渗透力f等于土体的单位有效重力γ时，土体处于流土临界状态。如果水力梯度继续增大，土中的单位渗透力将大于土的单位有效重力（有效重度），此时土体将被冲出而发生流土。据此可得到发生流土的条件为：

流土的临界状态对应的水力梯度ic可用下式表示：

式中，ρs为地基土的土粒密度（g/cm3）。

在黏性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现表面隆起变形。在粉砂、细砂及粉土等黏聚性差的细粒土中，水力梯度达到一定值后，渗流逸出处出现表面隆起变形的同时，还可能出现渗流水流夹带泥土向外涌出的砂沸现象，致使地基破坏。工程上将这种流土现象称为流砂。

工程中将临界水力梯度ic除以安全系数K作为容许水力梯度[i]，设计时渗流逸出处的水力梯度i应满足如下要求：(www.xing528.com)

对流土安全性进行评价时，K一般可取2.0～2.5。渗流逸出处的水力梯度i可以通过相应流网单元的平均水力梯度来计算。

2.管涌

管涌是在渗流过程中，土体中的化合物不断溶解、细小颗粒在大颗粒间的孔隙中移动，从而形成一条管状通道，最后土粒在渗流逸出处冲出的一种现象。

产生管涌的条件比较复杂。从单个土粒来看，如果只计土粒的重量，当土粒周界上水压力合力的垂直分量大于土粒的重量时，土粒即可被向上冲出。实际上管涌可能在水平方向发生，土粒之间还有摩擦力等的作用，它们很难计算确定。因此，发生管涌的临界水力梯度ic一般通过试验来确定。

测定管涌临界水力梯度ic的试验装置如图15.10（a）所示。抬高储水容器，水头差h增大，渗透速度随之增大。当水头差增大到一定程度后，可观察到试样中细小土粒的移动现象，此时的水力梯度即为发生管涌的临界水力梯度。在试验中可测定出不同水力梯度i对应的渗透速度v，绘制出i-v关系曲线，如图15.10（b）所示。从i-v关系曲线上可以发现，渗透速度随水力梯度的变化率在发生管涌前后有明显不同。在发生管涌前后分成两条直线，这两条直线的交点对应的水力梯度即为发生管涌的临界水力梯度ic。工程中在对管涌安全性进行评价时，通常可取K＝1.5～2.0。

图15.10　管涌试验。（a）试验装置图；（b）v-i关系曲线