第三章 土的渗透性与渗流

1、第三章第三章 碎散性碎散性多孔介质多孔介质 三相体系三相体系 孔隙流体流动孔隙流体流动 渗流渗流 渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质 强度特性强度特性 变形特性变形特性 非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性饱和土的渗透性 能量差能量差 水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象 渗流量渗流量 渗透变形渗透变形 石坝石坝 浸润线浸润线 透水层透水层 渗透压力渗透压力 渗流量渗流量 渗透变形渗透变形 透水层透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 第二节第二节 土的渗透性土的渗透性 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降 二渗透试

2、验与达西定律二渗透试验与达西定律 三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素 能量方程能量方程 渗流速度的规律渗流速度的规律 渗透特性渗透特性 一、渗流中的水头与水力坡降一、渗流中的水头与水力坡降 A B L 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 A B L h1 h2 zA w A u w B u zB h h 00 基准面基准面 w A A1 u zh w B B2 u zh hhh 21 w u zh L h i z：位置水头：位置水头 二、渗透试验与达西定律二、渗透试验与达西定律 试验前提：试验前提：层流层流 L h AQ 断面平均流速断面平均流速 水力坡降水力坡降 A

3、Q v L h i iv 1.1.渗透试验渗透试验 试验结果试验结果 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h1，A，L=const 量测变量量测变量: : h2，V，T h=h1-h2Q=V/T 2. 2. 达西定律达西定律 ikv n v vv s 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i 的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。 iv A A n v V V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度 V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速

4、度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度 A Av QVA VsAv k: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度 单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day 粗粒土：粗粒土： 砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律 砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s i v o vcr i v i0 层流（线性流）层流（线性流） 大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；

5、疏松的粘土 及砂性较重的粘性土及砂性较重的粘性土 粘性土：粘性土： 致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 ) )1m( kiv m 三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法 结果整理结果整理 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h，A，L=const 量测变量量测变量: : V，t i=h/L V=Qt=vAt v=ki htA VL k 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性

6、土透水性较大的砂性土 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法 试验装置：试验装置：如图如图 试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const 量测变量量测变量: : h ，t 对于透水性较小的粘性土，对于透水性较小的粘性土， 应采用变水头试验法应采用变水头试验法 结果整理结果整理: 理论依据理论依据: : t时刻：时刻： htdh dVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)Adt dVe=dVo 流入量流入量：流出量：流出量： 连续性条件：连续性条件： -adh =k (h/L)Adt h dh kA aL dt 2 1 h h t 0 h dh kA aL

7、dt 2 1 h h ln kA aL t 2 1 h h ln At aL k 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均，取平均值值 常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验 条件条件 已知已知 测定测定 算定算定 取值取值 h=consth变化变化 h，A，L V，t 重复试验后，取均值重复试验后，取均值 a，A，L h，t 2 1 h h ln At aL k htA VL k 不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值 适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 2.2.影响因素影响因素 土粒特性土粒特性 流体特性流体特性 l水的动力粘滞系数（水温）水的动力粘滞系数（

8、水温） l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡 考核知识点考核知识点 n1.水力梯度（出现渗流的决定因素）水力梯度（出现渗流的决定因素） n2.达西定律（定义、表达式、适用条件）达西定律（定义、表达式、适用条件） n3.渗透系数（定义、单位、测定方法）渗透系数（定义、单位、测定方法） n4.影响渗透性的因素影响渗透性的因素 2013-1 单选单选 n6.衡量土的渗透性大小的指标是（）衡量土的渗透性大小的指标是（） nA.相对密度相对密度 nB 水力梯度水力梯度 nC 土的有效粒径土的有效粒径 nD 渗透系数渗透系数 2013-1 判断题判断题 n15

9、.室内测定土的渗透系数试验方法中，室内测定土的渗透系数试验方法中， 变水头试验适用于测定透水性强的无粘变水头试验适用于测定透水性强的无粘 性土。（性土。（ ） n16.达西定律是指土中渗流的平均渗透速达西定律是指土中渗流的平均渗透速 度与水力梯度呈线性关系。（度与水力梯度呈线性关系。（ ） 2013-1 简答题简答题 n39.简述影响土渗透性的因素简述影响土渗透性的因素? 2013-1 计算题计算题 n40.对某细砂进行常水头渗透试验，土样高对某细砂进行常水头渗透试验，土样高 度为度为10cm，直径为，直径为5.0cm，水头差为，水头差为50cm， 经测定在经测定在8.0S内渗透水质量为内渗透

10、水质量为450g，试求，试求 此条件下该细砂的渗透系数此条件下该细砂的渗透系数K。(5分分) 2012-1 单选单选 n5.达西渗透定律适用的范围是达西渗透定律适用的范围是( ) nA.片流片流 B.渗流渗流 nC.层流层流 D.紊流紊流 n 2012-1 简答题简答题 n39.影响土渗透性的主要因素有哪些影响土渗透性的主要因素有哪些? 2011-1 填空填空 n15.地下水的流动状态分为层流和紊流，地下水的流动状态分为层流和紊流， 达西定律适用于达西定律适用于_ 状态。状态。 2011-1 计算题计算题 n40.对某砂土进行常水头渗透试验，已知该对某砂土进行常水头渗透试验，已知该 砂土的渗透

11、系数砂土的渗透系数k=0.03cms，试样长度，试样长度 l=15cm，试样上下两端的水头差，试样上下两端的水头差h=45cm， 求水在土中的渗透速度。求水在土中的渗透速度。(5分分) 2010-1 填空题填空题 n15.室内测定土的渗透系数有多种方法，其中室内测定土的渗透系数有多种方法，其中 变水头试验适用的土类是变水头试验适用的土类是_土。土。 2010-1 判断题判断题 n28.达西定律不仅适用于层流状态，也适达西定律不仅适用于层流状态，也适 用于紊流状态。用于紊流状态。( ) n5.在测定渗透系数在测定渗透系数k的常水头试验中，饱和土样的常水头试验中，饱和土样 截面积为截面积为A，长度

12、为，长度为l，流经土样的水头差为，流经土样的水头差为h， 单位时间水流通过试样的流量单位时间水流通过试样的流量Q稳定后，量测经稳定后，量测经 过时间过时间t内流经试样的水体积为内流经试样的水体积为V，则土样的渗透，则土样的渗透 系数系数k为为( ) nA. B. nC. D. Alt hQ 2009-1 单选题单选题 Alt hV hAt Ql hAt Vl 2009-1 填空题填空题 n15.渗透定律的适用范围主要与渗透水流渗透定律的适用范围主要与渗透水流 在土中的流动状态有关，达西定律只适在土中的流动状态有关，达西定律只适 用于用于_的条件。的条件。 2009-1 判断题判断题 n28.达

13、西定律中的渗透速度并非水在土的达西定律中的渗透速度并非水在土的 孔隙中流动的实际平均流速。孔隙中流动的实际平均流速。( ) 第四节第四节 渗透力及渗透变形渗透力及渗透变形 一、渗透力一、渗透力（动水力）（动水力） h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，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。同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力渗透力 j j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，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。方向与渗流方向一致。 渗透变形渗透变形渗透力渗透力 h=0 h=0 静水中，土骨架会受

14、到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 ab h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体静水中的土体 A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw P2 = = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L h1 h h2 00 hw L 土土 样样 滤网滤网 贮水贮水 器器 a b P2 W P1 R A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw

15、 P2 = = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L( + w) + whw R = L wh 渗流中的土体渗流中的土体 静水中的土体静水中的土体 R = L wh R = L 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时，向上渗流存在时， 滤网支持力减滤网支持力减少少 水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力 总渗透力总渗透力 J = wh 渗透力渗透力 j = J/V = wh/L = wi j = wi -体积力体积力 物理意义：物理意义： 单位土体内土骨架所受到的渗透水流单位土体内土骨架所受到的渗透水流 的拖曳力，它是的拖曳力，它是

16、 j = wi大小：大小： 方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致 作用对象：作用对象：土骨架土骨架 临界水力坡降临界水力坡降 icr = / /w e1 )1G( ws n e d i s s cr 11 1 1 d 二二、临界水力梯度临界水力梯度 基本类型基本类型 三三、渗透变形渗透变形（渗透破坏）（渗透破坏） 流土流土 管涌管涌 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 形成条件形成条件 防治措施防治措施 1.1. 流土流土 在向上的渗透作用下，表层局部土在向上的渗透作用下，表层局部土 体颗粒同时发生悬浮移动的现象。体颗粒同时发生悬浮

17、移动的现象。 cr ii0JW 和和土土的的密密实实程程度度有有关关 e G i s cr 1 1 粘性土粘性土k1k2 砂性土砂性土k2 坝体坝体 渗流渗流 原因：原因： 管涌 2.管涌管涌 原因：原因： 内因内因有足够多有足够多 的粗颗粒形成大于细的粗颗粒形成大于细 粒直径的孔隙粒直径的孔隙 外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的 细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生 移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。 管涌破坏 流土流土 土体局部范围的颗粒

18、同时发土体局部范围的颗粒同时发 生移动生移动 管涌管涌 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大，只要渗透力足够大， 可发生在任何土中可发生在任何土中 破坏过程短破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等 现象现象 位置位置 土类土类 历时历时 后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流 溢出处溢出处 一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的 无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃

19、口 形成条件形成条件 s cr F i ii Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降 i icr : 土体处于稳定状态土体处于稳定状态 土体发生流土破坏土体发生流土破坏 土体处于临界状态土体处于临界状态 经验判断：经验判断： 3. 3. 防治措施防治措施 s cr F i ii 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治防治流土流土 减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压 防治防治管涌管涌 改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等 改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降 第五节第五节 渗流情况下的孔隙水

20、压力渗流情况下的孔隙水压力 与有效应力与有效应力 一、饱和土体的有效应力原理一、饱和土体的有效应力原理 土土孔隙水孔隙水固体颗粒骨架 + + 三相体系 孔隙气体孔隙气体+ + 总应力总应力 总应力由土骨架和土体孔隙共同承受总应力由土骨架和土体孔隙共同承受 受外荷载作受外荷载作 用用 土中孔隙土中孔隙 有效应力有效应力：由地基土固体颗粒骨架由地基土固体颗粒骨架 传递的应力；传递的应力； 孔隙水应孔隙水应力力u u：通过孔隙中的水来传递通过孔隙中的水来传递 的应力。的应力。 1. 对所受总应力，土骨架和土体孔隙如何分担？对所受总应力，土骨架和土体孔隙如何分担？ 2.2.它们如何传递和相互转化？它们

21、如何传递和相互转化？ 3.3.它们对土的变形和强度有何影响？它们对土的变形和强度有何影响？ TerzaghiTerzaghi （19231923） 有效应力原有效应力原 理固结理论理固结理论 饱和土体内任一平面上受到的总饱和土体内任一平面上受到的总 应力可分为两部分应力可分为两部分和和u u，并且，并且 u 一、饱和土体的有效应力原理一、饱和土体的有效应力原理 考核知识点考核知识点 n1、渗透力、渗透力 n2、渗透变形（流砂和管涌产生条件和发、渗透变形（流砂和管涌产生条件和发 生部位）生部位） n3、有效应力原理（利用此原理解释砂土、有效应力原理（利用此原理解释砂土 液化）液化） n15.饱和

22、土体中的有效应力原理的公式表饱和土体中的有效应力原理的公式表 达式为达式为_。 2012-1 填空填空 2012-1 判断判断 n28.管涌现象发生于土体表面渗流逸出处，管涌现象发生于土体表面渗流逸出处， 流砂现象发生于土体内部。流砂现象发生于土体内部。( ) n n40.在某细砂层中开挖基坑，施在某细砂层中开挖基坑，施 工时采用井点法降水，实测稳定工时采用井点法降水，实测稳定 水位情况如下图所示。细砂层饱水位情况如下图所示。细砂层饱 和重度，和重度，sat=19kNm3，渗，渗 透系数透系数k=4.0l0-2mm/s，渗流，渗流 路径的长度近似取路径的长度近似取10.0m。试求。试求 土中渗流的平均速度土中渗流的平均速度v和渗透力和渗透力 J，并判断该基坑是否会产生流，并判断该基坑是否会产生流 砂现象砂现象(容许水头梯度等于临