水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。人们将渗透水流对土骨架的拖曳力称为渗透力。渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该给予足够的重视。

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，位移达到一定距离，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透破坏。渗透变形主要有3种形式，即流砂、管涌和潜蚀。

1）流砂及防治措施

（1）流砂概念

流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生砂与水一起悬浮流动的现象。如基坑开挖中坑侧土向坑底的流动，或打桩后由于孔压膨胀造成砂土与水一起流动的现象。它与地下水的动水压力有密切关系，当地下水的动压力大于土粒的有效重度或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，就会产生流砂。我们知道土颗粒的有效应力σ′等于上覆土的总应力σ减去孔隙水压力u。流砂液化实质上就是孔隙水压力上升到上覆土的总应力，导致土颗粒的有效应力为零，从而形成砂和水一起流动的一种现象。图6.7为流砂破坏示意图。

图6.7　流砂破坏示意图

1—原坡面；2—流砂后坡面；3—流砂堆积物；4—地下水位

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fd等于土体的单位有效重力γ′（有效重度）时，土体处于流土的临界状态。如果水力梯度继续增加，土中的单位渗透力将大于土的单位有效重力，此时土体将被冲出而发生流砂。据此，可以得到发生流砂的条件为：

式中　G=ρs/ρw——土的颗粒相对密度；

其中　ρs——土颗粒密度；

　　　ρw——4℃时纯水的密度；

　　　e——土的孔隙比。

流砂的临界状态对应的水力梯度用icr表示，可用下式表示：

工程上将临界水力梯度icr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：

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）流砂形成的条件

①土性条件：土层由粒径均匀的细颗粒组成（一般粒径在0.01mm以下的颗粒的质量分数在30%以上），土中含有较多的片状、针状矿物（如云母、绿泥石等）和附有亲水胶体矿物颗粒，从而增加了岩土的吸水膨胀性，降低了土粒重量。因此，在不大的水流冲力下，细小土颗粒即悬浮流动。

当地下砂土的细粒的质量分数Pc满足下式条件时，易发生流砂。

式中　n——土的孔隙率；

　　　Pc——土的细颗粒含量，以质量百分率计（%）。

对于不均匀系数大于5的不连续级配土判别方法为Pc≥35%。

②水动力条件：水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗粒的重量时，就能使土颗粒悬浮流动形成流砂。对于无黏性土流砂破坏的临界水力梯度如下：

式中　γd——土的干重度，kN/m3；

　　　n——土的孔隙度；

　　　Gs——土的相对密度。

（3）流砂的防治措施

流砂的发生常是由于在地下水位以下开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动而引起的，一般发生在细砂、粉砂、粉质黏土等土中。流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物地基破坏，给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。流砂对岩土工程危害很大。总之，应尽量避免水下大开挖施工。若必须时，可以利用下列方法防治流砂：

①人工降低地下水位：可以采用井点降水或深井降水，将地下水位降至可能产生流砂的地层以下，然后再开挖。

②边坡加固：常采用锚杆注浆土钉墙、水泥搅拌桩、钻孔咬合桩或地下连续墙等加固措施，其目的一方面是起到支护作用，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗流途径，减小地下水力梯度和流速。

③基坑底水泥搅拌桩或注浆加固：通过土中灌浆或水泥搅拌桩来构成防水帷幕，以防止地下水流入。

④其他方法：处理流砂的方法还有冻结法、化学加固法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石或立即灌注泵送混凝土等，可以克服流砂的活动。

2）管涌及防治措施

（1）管涌的概念

管涌是指地基土在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中发生移动并被带出，逐渐形成管状渗流通道而造成水土大量涌出破坏的现象。也就是说，在一定水头梯度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越坝基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳。管涌通常需要有上下两头水位差，如1998年长江九江防洪堤坝粉砂土管涌，就是由于暴雨引起的堤坝内与堤坝外的高水位而引起的。必须重视管涌的破坏，它可对下游人民生命财产造成巨大破坏。图6.8为堤坝的管涌破坏示意图。

图6.8　管涌破坏

管涌多发生在砂性土中，其特征是颗粒大小比值差别较大，往往缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙。颗粒多由密度较小的矿物构成，易随水流移动，有较大的和良好的渗透水流出路。(www.daowen.com)

（2）管涌形成的条件

管涌的形成条件主要包括土性条件和水动力条件。

①土性条件：土性条件主要为中细粒砂性土，当土的细粒含量满足下式条件时，易发生管涌。

式中符号意义同式（6.13）。

同时，管涌形成的土性条件还有：

土的粗颗粒粒径D和细颗粒粒径d之比D/d>10；

土的不均匀系数d60/d10>10；

两种互相接触土层渗透系数之比k1/k2>2～3。

②水动力条件：渗透水流的水力梯度i大于土的临界水力梯度icr时，易发生管涌。

管涌发生的临界水力梯度可采用式（6.16）进行计算：

式中　d5，d20——质量分数分别为5%和20%的土粒粒径，mm。

工程中在对管涌安全性进行评价时，求解的临界水力梯度还应除以安全系数K。通常可取K=1.5～2.0。

（3）管涌的处理措施

①设计时堤坝材料要采用无黏性土或用混凝土坝。

②设计要考虑控制最大洪水位时，堤坝内外水力梯度差和坝内的隔水措施。

③堤坝中间打止水帷幕桩止水（如水泥搅拌桩、钻孔咬合桩或地下连续墙等）。

④暴雨季节要及时巡查，第一时间发现管涌点，并在刚发生小管涌时立即采取在管涌点周围垒止水土袋、堆土反压、灌注混凝土等办法，控制水头差同时达到水头平衡。

3）潜蚀

（1）潜蚀的概念

潜蚀是渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷，带走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大形成洞穴导致地下岩土体结构破坏，从而产生地表裂缝、塌陷，影响建（构）筑物地基稳定的一种地质现象。在黄土地区潜蚀多表现为地面或地下土洞，在岩溶地区潜蚀表现为溶洞或地面塌陷。潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种类型。机械潜蚀是在地下渗透水流的长期作用下，产生岩土体中细小颗粒的位移和掏空现象；化学潜蚀是易溶盐类（如岩盐、钾盐、石膏等）及某些较难溶解的盐类（如方解石、菱镁矿、白云石等）在流动水流的作用下，尤其是在地下水循环比较剧烈的地域，盐类逐渐被溶解或溶蚀，使岩土体颗粒间的胶结力被削弱或破坏，结果导致岩土体结构松动，甚至破坏。机械潜蚀和化学潜蚀一般是同时进行的，且二者是相互影响、相互促进的。

（2）潜蚀产生的条件

潜蚀产生的条件主要有两个方面：一是有适宜的岩土颗粒组成；二是有足够的地下水水动力条件。具有下列条件的岩土体易产生潜蚀作用：

①当岩土层的不均匀系数（Cu=d60/d10）越大时，越易产生潜蚀作用。一般当Cu>10时，即易产生潜蚀。

②两种互相接触的岩土层，当其渗透系数之比k1/k2>2时，易产生潜蚀。

③当地下渗透水流的水力梯度大于岩土的临界水力梯度时，易产生潜蚀。

产生潜蚀的临界水力梯度可按式（6.17）计算：

式中　Gs——岩土颗粒的相对密度；

　　　n——岩土孔隙度，以小数计算。

（3）潜蚀的防治措施

①改变渗透水流的水动力条件：使水流梯度小于临界水力梯度，可用堵截地表水流入地下岩土层；阻止地下水在岩土层中流动；设反滤层；减小地下水的流速等。

②改善岩土体的性质：增强岩土体的抗渗能力。如对溶洞等爆炸压密、注浆加固、打止水桩等措施可以增加岩土的密实度，降低岩土层的渗透性能。

4）坑突涌的隔水层要求

当基坑下有承压含水层存在时，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，当它减小到某一临界值时，承压水在水头压力作用下顶裂隆起或冲毁基坑底板土层而导致基坑失稳的现象称为基坑突涌。基坑突涌通常过程很快，往往来不及采取补救措施，对基坑安全危害极大。基坑突涌发生的理论条件按动水平衡一般可用下式进行判断（见图6.9）：

图6.9　基坑突涌原理示意图

式中　H——基坑底不透水层的厚度，m；

　　　γ——土的重度，kN/m3；

　　　h——承压水头高于含水层顶板的高度，m。

所以，在设计时基坑坑底不产生突涌的不透水层厚度H要求大于值。实际工程设计时还要乘上安全系数（安全系数为1.2～1.3）。