天津大学 土力学 土的渗透性与渗流

1、土的渗透性与渗流土的渗透性与渗流第三章第三章基本要求：基本要求：1.1.掌握达西定律掌握达西定律2.2.掌握渗透力的概念与计算掌握渗透力的概念与计算3.3.掌握两种渗透变形破坏的机理掌握两种渗透变形破坏的机理3 3 土的水的渗透性土的水的渗透性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透性渗透性土具有被水、油等液体透过的性质土具有被水、油等液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3.1概述概述能量差能量差3 3 土中水

2、的渗透性土中水的渗透性 渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性 渗水压力渗水压力扬压力扬压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性 渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性 渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡3.2 土的渗透性土的渗透性试验前提：试验前

3、提：层流层流h，Q A，Q L， QtLhAQ.断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降Aqv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性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，Q，th=h1-h2q=Q/t2.2. 达西定律达西定律ikv 达西定律达西定律3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性 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。一一. . 达西定律达西定律iv

4、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, mm/s, cm/s, m/sm/s, m/day, m/day2. 2. 达西定律达西定律3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性粗粒土：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 适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土

5、及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 二二 渗透系数的测定渗透系数的测定室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法3 3 土中水的渗透性土中水的渗透性 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测定方法测定方法（一）（一） 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: : Q，ti=h/LQ=qt=vAtv=

6、kihtAQLk适用土类：适用土类：透水性较好的砂性土透水性较好的砂性土二、二、 土的渗透系数的测定土的渗透系数的测定二二 土的渗透系数的测定土的渗透系数的测定 二、室内试验方法二、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透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土21图2-5 变水头渗透试验 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结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdVe

7、= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=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)AdthdhkAaLdt 21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值21图2-5 变水头渗透试验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，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAQLk 室内两种试验方法比较室内两种

8、试验方法比较不同时段试验，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野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrhAkiq2khdhrdrq2)(ln212212hhkrrq212212)/ln(hhrrqk缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：三、影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配

9、孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构结合水膜的厚度结合水膜的厚度土土粒粒特特性性、流流体体特特性性）(fk l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数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3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力 试验观察hh=0=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。hh00 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。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

10、对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。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。渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一.

11、 . 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，支持力减少向上渗流存在时，支

12、持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？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 = wij = wi3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力渗透力的性质渗透力的性质物理意义：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，它是体积力的拖曳力，它是体积力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：土骨架土骨架基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏渗透变形（渗透破坏） 流砂流砂管涌管

13、涌3.6 3.6 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 3 3 土中水的渗透规律土中水的渗透规律 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 3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，支持力减少向上渗流存在时，支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh = 0e1)1G(ws e11Gi

14、scr 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流土流土在在向上向上的渗透作用下，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crii0JW 和土的密实程度有关eGiiscr113.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗流渗流原因：原因：1.1. 基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细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

15、土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，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移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。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。3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 管涌管涌破坏1. 基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流砂流砂土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发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

16、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口3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 二二. .渗透变形渗透变形 2.2.形成条件形成条件 scrFiii Fs: 安全系数安全系数1.52.03.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 二二. .渗透变形渗透变形 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳

17、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流砂流砂经验判断：经验判断：3. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 3.4 3.4 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 二二. .渗透变形渗透变形防治流砂防治流砂土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小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管涌防治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3 3 土中水的渗透规律土中水的渗透规律 透水层透

18、水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流1. 饱和土中的应力形态PSPSVaaA 3.53.5渗流情况下的孔隙水应力和有效应力渗流情况下的孔隙水应力和有效应力一一. . 有效应力原理的基本概念有效应力原理的基本概念PSA：Aw：As：土单元的断面积土单元的断面积颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积a-aa-a断面通过土断面通过土颗粒的接触点颗粒的接触点有效应力有效应力1AAw u wsvAuPA a-aa-a断面竖向力平衡：断面竖向力平衡：wSAAA uAAAPwsv u u：孔隙水：孔隙水压力压力3.53.5渗流情况下的孔隙水应

19、力和有效应力渗流情况下的孔隙水应力和有效应力2. 饱和土的有效应力原理基本内容饱和土的有效应力原理基本内容u（1 1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和和u u，并且，并且（2 2）土的变形与强度都只取决于有效应力）土的变形与强度都只取决于有效应力有效应力有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定孔隙水压测定或算定通常通常, ,u 孔隙水压力的作用孔隙水压力的作用 对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响；因而孔隙水压力对

20、土的强度没有直接的影响； 它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。变形的原因变形的原因颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与与 有关；有关；接触点处应力过大而破碎接触点处应力过大而破碎与与 有关。有关。强度的成因强度的成因 凝聚力和摩擦凝聚力和摩擦与与 有有关关饱和土

21、的有效应力原理u （2 2）（1 1）土的变形与强度都只取决于有效应力土的变形与强度都只取决于有效应力二、在静水条件下土中的孔隙水应力和有效应力二、在静水条件下土中的孔隙水应力和有效应力上图为浸没在水下的饱和土体上图为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为，设土面至水面的距离为h1,土土的饱和容重为的饱和容重为sat，则土面下深，则土面下深度为度为h2的的a-a平面上的总应力为平面上的总应力为孔隙水应力为孔隙水应力为于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效平面上的有效应力为应力为由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；三角形分布；有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量