第3章土中水的运动规律

1、 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第第4章章 土体中的应力计算土体中的应力计算 第第5章章 土的变形与地基的沉降土的变形与地基的沉降 第第6章章 土的抗剪强度土的抗剪强度 第第7章章 挡土结构上的土压力挡土结构上的土压力 第第8章章 地基的承载力地基的承载力 第第9章章 土坡稳定分析土坡稳定分析 渗透特性渗透特性 与渗透问与渗透问 题的基础题的基础 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习要点学习要点 土的渗透性和渗透规律土的渗透性和渗透规律 渗透产生的渗透力与渗透变形渗透产生的渗透力与渗透变形 有严

2、格的理论（水流的一般规律）有严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒多孔介质特性）有经验性规律（散粒多孔介质特性） 注意对物理概念和意义的把握注意对物理概念和意义的把握 注意把握土是散粒多孔介质这一特点注意把握土是散粒多孔介质这一特点 第第3 3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 概述概述 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 碎散性碎散性多孔介质多孔介质 三相体系三相体系 （流体）（流体） 孔隙中流体流动孔隙中流体流动 渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔

3、隙中流动的现象 渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质 渗透特性渗透特性 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 土颗粒土颗粒土中水土中水 渗流渗流 土体中的渗流土体中的渗流 3.1 概述概述 内因？内因？ 外因？外因？ 透水层透水层 不透水层不透水层 防渗体防渗体 坝体坝体 浸润线浸润线 渗流问题：渗流问题： 1. 渗流量？渗流量？ 2. 渗透力？渗透力？ 3. 渗透破坏？渗透破坏？ 渗流问题土石坝坝基坝身渗流渗流问题土石坝坝基坝身渗流 3.1 概述概述 渗流问题：渗流问题： 1. 渗

4、流量？渗流量？ 2. 渗水压力？渗水压力？ 3. 渗透破坏？渗透破坏？透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 渗流问题板桩围护下的基坑渗流渗流问题板桩围护下的基坑渗流 3.1 概述概述 渗流问题：渗流问题： 1. 渗流量渗流量Q？ 2. 降水深度？降水深度？ 透水层透水层 不透水层不透水层 天然水面天然水面 漏斗状潜水面漏斗状潜水面 Q 渗流问题水井渗流渗流问题水井渗流 3.1 概述概述 渗流问题：渗流问题： 1. 渗流量？渗流量？ 2. 地下水影响地下水影响 范围？范围？ 原地下水位原地下水位 渗流时地下水位渗流时地下水位 渗流问题渠道、河流渗流渗流问题渠道、河流渗流 3.1

5、 概述概述 渗流问题：渗流问题： 1. 渗透力？渗透力？ 2. 入渗过程？入渗过程？ 渗流问题降雨入渗引起的滑坡渗流问题降雨入渗引起的滑坡 3.1 概述概述 渗流量渗流量 扬压力扬压力 渗水压力渗水压力 渗透破坏渗透破坏 渗流速度渗流速度 渗水面位置渗水面位置 入渗过程入渗过程 挡水结构挡水结构 集水结构集水结构 引水结构引水结构 基础工程基础工程 地下工程地下工程 边坡工程边坡工程 渗透特性 变形特性 强度特性 渗流问题土的渗透特性渗流问题土的渗透特性 3.1 概述概述 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 概述概述 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3

6、渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 内容内容 渗流的驱动能量渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律 土的渗透性土的渗透性 地基的渗透系数地基的渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与 达西定律达西定律 F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定 及影响因素及影响因素 F四、层状地基的等效四、层状地基的等效 渗透系数渗透系数 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 水流动的驱动力水流动的

7、驱动力 总水头计算总水头计算 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 渗流中的水头渗流中的水头 n 位置水头位置水头Z：到基准面的到基准面的距离距离，代，代 表表单位重量单位重量的液体从基准面算起所的液体从基准面算起所 具有的具有的位置势能位置势能 n 压力水头压力水头u/w：水压力所能引起的水压力所能引起的 自由水面的自由水面的升高升高，表示，表示单位重量单位重量液液 体所具有的体所具有的压力势能压力势能 n 测管水头：测管水头：测管水面到基准面的测管水面到基准面的距距 离离，位置水头位置水头压力水头压力水头，表示，表示 单位重量单位重量液体的液体的总

8、势能总势能 n 在在静止液体中各点静止液体中各点的的测管水头相等测管水头相等 zA 00 A B u0pa w A u zB w B u 基准面基准面 静水静水 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 水流动的驱动力水流动的驱动力 总水头计算总水头计算 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 渗流中的水头渗

9、流中的水头 水往低处流水往低处流 水往高处水往高处“跑跑” 速度速度v 压力压力u 位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能 高处高处流向位置势能流向位置势能低处低处 压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能 流速：流速：水所具有的动能水所具有的动能 也可使水流发生流动也可使水流发生流动 水水流动流动的驱动力的驱动力 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 水流动的驱动力水流动的驱动力 总水

10、头计算总水头计算 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 渗流中的水头渗流中的水头 n 位置势能：位置势能：mgz w u mg n 压力势能：压力势能： 00 基准面基准面 质量质量 m 压力压力 u 流速流速 v z w u n 动能：动能： 2 mv 2 1 2 w mv 2 1u mgmgzE n 总能量：总能量： 2g vu zh 2 w 称为称为总水头总水头，是水流动的驱动力；，是水流动的驱动力； 位置水头压力水头位置水头压力水头流速水头流速水头 n 单位重量单位重量水流的总能量：水流的总能量： 总水头计算总水头计算 3.2 土的渗透性与渗透

11、规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、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 板桩墙板桩墙 渗流为水体的流动，应满渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方 程、动量方程程、动量方程 渗流渗流中的水头与水力坡降中的水头与水力坡降 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 水流动的驱动力水流动的驱动

12、力 总水头计算总水头计算 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 渗流中的水头渗流中的水头 A B L hA zA w A u 基准面基准面 g vu zh w 2 2 w u zh n 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u：孔隙孔隙水压力）水压力） 流速水头流速水头v2/(2g)：水体的动能（对于渗流多处于层流：水体的动能（对于渗流多处于层流0） 岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括粗

13、粒土和细粒土，均属层流范围。岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括粗粒土和细粒土，均属层流范围。 在粒径较大的粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。在粒径较大的粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。 n 渗流的总水头：渗流的总水头： 也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的 总驱动能。总驱动能。 渗流渗流中的水头中的水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 渗流总是从渗流总是从水头水头高处流向高处流向水头水头低处低处 A B L 透水层透水层 不透水层不透水层 基坑基坑 板桩墙板桩墙 渗流总是从渗流总是从水头水头高处流

14、向高处流向水头水头低处低处 w u zh 位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 水流动的驱动力水流动的驱动力 总水头计算总水头计算 渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 渗流中的水头渗流中的水头 w u zh B BB A A点总水头：点总水头： A B L hA hB zA w A u w B u zB h h 基准面基准面 水力坡降线水力坡降线 w A A u zh A B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了 两

15、点间水流两点间水流克服克服摩阻力摩阻力 造成造成的的( (等于等于) )能量损失能量损失 BA hhh 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失 L h i 渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等h=0，i=0 内容内容 渗流的驱动能量渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律 土的渗透性土的渗透性 地基的渗透系数地基的渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 F一、水头与

16、水力坡降一、水头与水力坡降 F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与 达西定律达西定律 F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定 及影响因素及影响因素 F四、层状地基的等效四、层状地基的等效 渗透系数渗透系数 L A h1 h2 Q Q 透水石 1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城 市供水问题时进行了渗流试验市供水问题时进行了渗流试验 12 () hhQ v AL 或：或： h vkki L 单位时间单位时间、流过单位面积的、流过单位面积的 流量流量v与水头差成正比，与与水头差成正比，与 渗流长度成反比。渗流长度成反比。 其中，其中，A：试样的断面积：试样的断面积 Q：单位时间单位

17、时间的流量的流量 二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 vk i n 达西定律：达西定律：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与水力坡降与水力坡降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 n 渗透系数渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为 水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day n 渗透速度渗透速度v：土体试样土体试样全断面全断面的平均渗流速度，也称假想的平均渗流速度，

18、也称假想 渗流速度渗流速度 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 Q v A 单位时间单位时间、流过单位面积的、流过单位面积的 流量流量v 渗透速度渗透速度v：土体试样土体试样全断面全断面的的 平均渗流速度，也称假想渗流速度平均渗流速度，也称假想渗流速度 11 v v v QQv vvv A AAnn A 在孔隙中的流速 其中，其中，v vv v为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 土颗粒土颗粒

19、土中水土中水 渗流渗流 Q v A n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动） 岩土工程中的绝大多数渗岩土工程中的绝大多数渗 流问题，包括粗粒土和细流问题，包括粗粒土和细 粒土，均属层流范围粒土，均属层流范围 在粒径较大的粗粒土孔隙在粒径较大的粗粒土孔隙 中，水流形态可能会随流中，水流形态可能会随流 速增大呈速增大呈紊流紊流状态，渗流状态，渗流 不再服从达西定律。可用不再服从达西定律。可用 雷诺数进行判断雷诺数进行判断 ： 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律达西定律 适用范围适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水力坡降水力坡降 流速流速 (m/h) 砾

20、石砾石 粗砂粗砂 中砂中砂 细砂细砂 极细砂极细砂 h 10 dv Re Re5时层流时层流 Re 200时紊流时紊流 200 Re 5时为过渡区时为过渡区 达西定律的适用范围达西定律的适用范围 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 v：平均流速、：平均流速、：运动黏滞系数、：运动黏滞系数、d10：有效粒径：有效粒径 二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时： i v o i0 n 两种特例两种特例 对致密的黏性

21、土，存在起始水力对致密的黏性土，存在起始水力 坡降坡降i i0 0 ？ i v o vcr )1m( kiv m (1) m vkim ii0, v=k (i - i0 ) 达西定律的适用范围达西定律的适用范围 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验 F 室内试验方法室内试验方法 F 野外试验方法野外试验方法 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 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 n 试验条件

22、试验条件: : h，A，L=const n 量测变量量测变量: 体积体积V，t n 适用土类：透水性较大的砂土适用土类：透水性较大的砂土 h L 土样土样 A V Q 常水头试验法常水头试验法 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 Q：单位时间的流量；：单位时间的流量；V：流量；：流量； V=Qt QV v AAt vki h i L VL k At h 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 n 试验条件试验条件: :h变化变化 A，a，L=const n 量测变量量测变量: h，t n 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的细粒土的细粒土 土样土样 A

23、t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 a 变水头试验法变水头试验法 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 1 212 ln () haL k A tth 土样土样 A t=t1 t=t2 h1 h2 L Q 水头水头 测管测管 开关开关 在在tt+dt时段内：时段内： aL d h dt kAh 22 11 th th aLd h dt kAh 1 21 2 ln haL tt kAh 1 212 ln () haL k A tth 选择几组量测结果选择几组量测结果 ， 计算相应的计算相应的k

24、，取平均值，取平均值 变水头试验法变水头试验法 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 h d h t t+dt 水头差降低了水头差降低了d h 入流量入流量：dVe ad h 出流量：出流量： () Vh vkidVokiAdtkAdt AtL 连续性条件：连续性条件：dVe dVo h ad hkAdt L 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 公式公式 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 1 212 ln ()

25、 haL k A tth 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细粒土细粒土 室内试验方法小结室内试验方法小结 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 内容内容 渗流的驱动能量渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律 土的渗透性土的渗透性 地基的渗透系数地基的渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与 达西定律达西定律 F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定 及及影响因素影响因素

26、 F四、层状地基的等效四、层状地基的等效 渗透系数渗透系数 n 是影响土中是影响土中孔隙直径大小孔隙直径大小的主的主 要因素要因素 n 粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充 填大孔隙填大孔隙细颗粒决定土体孔细颗粒决定土体孔 隙的大小隙的大小土的渗透系数常用土的渗透系数常用 有效粒径有效粒径d10来表示，如哈臣公来表示，如哈臣公 式：式： 2 10 dck 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 三、渗透系数的测定及影响因素三

27、、渗透系数的测定及影响因素 n 是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接 度量度量 n 对于砂土，常建立孔隙比对于砂土，常建立孔隙比e与与 渗透系数渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如： ) e1 e (fk ) e1 e (fk )e(fk 3 2 2 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 n 对于细粒土对于细粒土，影响颗粒的表面力，影响颗粒的表面力 n 黏土矿物

28、不同，渗透系数相差极黏土矿物不同，渗透系数相差极 大：大：高岭石高岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石 ； 当黏土中含有可交换的钠离子越当黏土中含有可交换的钠离子越 多时，其渗透性将越低多时，其渗透性将越低 n 塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的 参数参数 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 n 影响孔隙系统

29、的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性， 对对细粒土细粒土影响更大影响更大 n 在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状 黏性土层，扁平状黏土颗粒常黏性土层，扁平状黏土颗粒常 呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平 水平 k k垂直 垂直 n 在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构（片架结构）时，凝聚结构（片架结构）分分 散结构（片堆结构）散结构（片堆结构） 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透

30、规律 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 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 饱和曲线饱和曲线 含水量含水量 wWop 干容重干容重 d max 1 含水量含水量 w 渗透系数渗透系数 k 凝聚结构凝聚结构 分散结构分散结构 n 水的运动黏滞系数水的运动黏滞系数： 温度温度 ，水黏滞性，水黏滞性 ，k n 饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气 泡

31、对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道：的通道：饱和度小饱和度小k小小 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 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 非饱和土，饱和土？非饱和土，饱和土？ 内容内容 渗流的驱动能量渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律 土的渗透性土的渗透性 地基的渗透系数地基的渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性

32、与渗透规律 F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降 F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与 达西定律达西定律 F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定 及影响因素及影响因素 F四、层状地基的等效四、层状地基的等效 渗透系数渗透系数 等效渗透系数等效渗透系数 天然土层多呈层状天然土层多呈层状 四、层状地基的四、层状地基的 等效渗透系数等效渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数 各层土的各层土的ki 单一土层的单一土层的k 总体的透水性不变总体的透水性不变 h H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z q1

33、x q3x q2x 1 1 2 2 不透水层不透水层 水平等效渗透系数水平等效渗透系数: : iix Hk H 1 k kx=? n 已知条件已知条件: : i h ii L ixx qq i HH n 达西定律达西定律: : 水平等效渗透系数水平等效渗透系数kx 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数 () 1 q vki H xx qk iH ixi ii qk i H xii i k iHk i H L i i z k H H k H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z v 承压水承压水 kz=? i vv i

34、hh i HH ii i i v H h k z vH h k i i hh i zi v HvH kk n 已知条件已知条件: : n 达西定律达西定律: : 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数: : 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数kz 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数 i ii i h vk H h vkik L z h vk H n 算例说明算例说明 daym100km01H daym1km01H daym010km01H 33 22 11 /,. /,. /.,. 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值

35、控制 层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制 daym6733 H Hk k ii x /. daym030 k H H k i i z /. H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数 i vv ixx qq 水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形 条件条件 已知已知 公式公式 L h ii HHqq i ii ; .;, 121 kHH iix Hk H 1 k 12 .; ; ii vvv hh HH .,.;, 2121 kkHH i i z k

36、H H k 四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 练习练习6 直径直径10.0cm，高度，高度15.0cm的砂土，以的砂土，以 10.0cm的水头差进行了常水头渗透试验。测得的水头差进行了常水头渗透试验。测得1分分 钟的流量为钟的流量为120cm3。 试计算平均流速试计算平均流速v（cm/s），水力坡降），水力坡降i， 土的渗透系数（土的渗透系数（cm/s）。）。 设土的孔隙比为设土的孔隙比为0.5，则实际流速，则实际流速vv是多是多 少？少？ 【解解】 2 120 0.0255(/ ) 1 10.060 4 QV vcm s

37、AAt 10.0 0.667 15.0 h L i i 2 0.0255 0.03823.8210(/ ) 0.667 v cm s i k k 0.02550.0255 0.077(/ ) 0.5 0.333 110.5 v vv vcm s e n e 练习练习7 设用于变水头渗透试验的黏土试样的直径为设用于变水头渗透试验的黏土试样的直径为 7.10cm，高度为，高度为10.05cm。渗透仪细玻璃管的内径。渗透仪细玻璃管的内径 为为1.00cm。试验开始时间为。试验开始时间为10时时10分，水头差为分，水头差为 142.1cm。试验结束时间为。试验结束时间为11时时20分，水头差为分，水头

38、差为 107.4cm。 试计算黏土的渗透系数试计算黏土的渗透系数k（cm/s）。）。 【解解】 111 212212212 2 5 2 lnlg/ln2.3lg ()()() 1 110.05 142.1 4 2.3lg1.32 10 (/ ) 1 107.4 7.1(70 60) 4 hhhaLaLaL ke A tthA tthA tth cm s n 水头与水力坡降水头与水力坡降 n 渗透试验与达西渗透试验与达西 定律定律 n 渗透系数的测定渗透系数的测定 及影响因素及影响因素 n 层状地基的等效层状地基的等效 渗透系数渗透系数 渗流渗流的总水头的总水头=位置水头位置水头+压力水头压力水

39、头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱动力 达西定律达西定律 渗透系数、渗透速度渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数 小结小结3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 概述概述 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力 临界水力坡降临界水力坡降 渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） n hh=0 =0 静

40、水中，土骨静水中，土骨 架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。 n hh0 0 水在流动时，水在流动时， 水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的 阻力流动的孔隙水对阻力流动的孔隙水对 土骨架产生一个摩擦、土骨架产生一个摩擦、 拖曳力。拖曳力。 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 渗透力渗透力j：（渗透作用中，）孔隙水对土：（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骨架的作用力，方向与渗流方向一致 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b

41、土粒土粒 渗渗 流流 渗透力渗透力 j j：体积力：体积力 渗透力渗透力j j：单位土体内单位土体内土骨架土骨架 所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察 n总渗透力总渗透力J（孔隙水对土骨架的作用力）（孔隙水对土骨架的作用力） 土粒对水流的阻力土粒对水流的阻力 （水流克服阻力的损失（水头损失）（水流克服阻力的损失（水头损失） （whA） 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察 w hA J 水流作用于土体的总渗透力：水流作用于土体的总渗透力： w JhA 单位土体内土骨架所受到的渗透力

42、：单位土体内土骨架所受到的渗透力： w w hAJ ji VAL 二点总水头差：反映了两点间水流克服二点总水头差：反映了两点间水流克服 摩阻力摩阻力造成的造成的( (等于等于) )能量损失能量损失 截面积截面积 A=1h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 ab W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整体受力分析土水整体受力分析- -静水静水 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力受力分析渗透力受力分析 滤网承受的力滤网

43、承受的力R=？ 有效重量有效重量w 截面积截面积 A=1 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w h n 土水整体受力分析土水整体受力分析- -渗流渗流 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力受力分析渗透力受力分析 滤网承受的力滤网承受的力R=？ 有效重量有效重量w R = L - w h n 土水整体受力分析土水整体受力分析- 对比对比 h1 h h2 00 hw

44、 L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体 向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤 网承受的力减少了网承受的力减少了 R = L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？ 总渗透力：总渗透力： J=J= w w h h F 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 j = J/V = w h /L = wi 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力受力分析渗透力受力分析 i大，则大，则j大大 R =W-J 渗流中的土体渗流中的土体 F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到

45、的单位土体内土骨架所受到的 渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 F大小：大小： j = j = w wi i F方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致 F作用对象：作用对象：土骨架土骨架 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力性质渗透力性质 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 概述概述 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力 临界水力坡降临界水力坡降 渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 渗流向上时，滤网承受的力渗流向上时，滤网承受的力 减少。减少。滤网承受的

46、力为零时滤网承受的力为零时 的水力坡降称为的水力坡降称为临界水力坡临界水力坡 降降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流流 土破坏土破坏时的水力坡降：时的水力坡降： R = L - w h=0 h1 h h2 00 hw L 土样土样 滤网滤网 贮水器贮水器 a b icr = h/L = / w e1 1G ws )( e1 1G i s cr 由于由于 icr取决于土取决于土 的物理性质的物理性质 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形临界水力坡降临界水力坡降 R = W-J=0 孔隙比孔隙比e大，大，icr小小 第第3章章 土中水的运动规律土中水的运动规律 3.1 概述概述 3.

47、2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力 临界水力坡降临界水力坡降 渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） n土工结构及地基由于土工结构及地基由于渗流作用渗流作用而出现的变形或破而出现的变形或破 坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工结坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工结 构发生破坏的常见类型构发生破坏的常见类型 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形渗透变形 基本类型基本类型 流土流土 管涌管涌 形成条件形成条件 防治措施防治措施 n 流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，表

48、层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。粒群同时发生悬浮、移动的现象。 黏性土黏性土k1k2 砂性土砂性土k2 坝体坝体 渗流渗流 e1 1G i s cr F 原因：原因： 与土的密实度有关与土的密实度有关 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形流土渗透变形流土 0 cr WJii 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 F i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏 n 工程设计：工程设计： n 在自下而上的渗流逸出处，在自下而上的渗流逸出处，任何类型的土任何类型的土，只要满，只要满 足水力坡降大于临界水力坡降这一

49、水力条件，均要足水力坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要 发生流土：发生流土： 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透变形流土可能性的判别渗透变形流土可能性的判别 坝体坝体 F 原因原因 内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n 在渗流作用下，一定级配的无黏性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，一定级配的无黏性土中的细小颗粒，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 地表贯通的管道地表贯通的管道 渗流渗流 过程演示过程演示 1. 在渗透水流

50、作用下，在渗透水流作用下， 细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成 的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失 2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流 速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗 颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走 3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道， 造成土体塌陷造成土体塌陷 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形管涌渗透变形管涌 n 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 黏性土属于非管涌土黏性土属于非管涌土 无黏性土中发生管涌必须具备相应的无黏性土中发生管涌必须具备相应的 几何条件（内因）几何条件（内因）和和水力条件（外因）水力条件（外因） 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透变形管涌可能性的判别渗透变形管涌可能性的判别 较均匀土较均匀土 （CuCu 1010） 几何条件几何条件 水力条件水力条件 n 无黏性土管无黏性土管 涌的判别涌的判别 级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定 非管涌土非管涌土 粗颗粒形成的粗颗粒形成的 孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒 不均不均 匀土匀土 （Cu10Cu10） 不连续不连续 连续连续 d d0 0=0.25d=0.25d20 20 细粒含量细粒含量35%35% 细粒含量细粒含量25%25% 细粒含量细粒含量=25-35%=25-35% d d