土的渗透性及渗流

1、北京工业大学 土力学课程第 3 章 土的渗透性及渗流北京工业大学 土力学课程内容提要3.1 概 述3.2 土的渗透性和渗流定律u 土的渗透性u 土的层流渗透定律 达西定律u 渗透系数的测定及其影响因素3.3 渗透破坏与控制u 渗流力的计算u 土的渗透破坏和防治措施北京工业大学 土力学课程3.1 概 述 第 3 章北京工业大学 土力学课程3.1 概 述孔隙水流动能量差土颗粒土中水渗流土 体多孔介质 渗流：水在能量差的作用下在土体孔隙通道中流动的现象。 水在土孔隙中的流动会引起土体中应力状态的改变，从而使 土体的强度和变形特性发生变化。 渗透性：土体具有的能够被水和气体等流体通过的性质。北京工业大

2、学 土力学课程与渗透性相关的工程问题u基坑开挖排水u修筑渗水路堤u饱和粘性土地基的沉降u施工降水u地下水开采u土石坝及堤岸的稳定性（流砂、管涌）3.1 概 述北京工业大学 土力学课程土的渗透性研究主要包括如下三方面的问题：u渗流量问题u渗透破坏问题u渗流控制问题3.1 概 述北京工业大学 土力学课程渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流3.1 概 述北京工业大学 土力学课程板桩围护下的基坑渗流渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙3.1 概 述北京工业大学 土力学课程水井渗流渗流量透水层不透水层天然水面漏斗状潜水面Q地下水位3.1 概 述北京工业大学

3、土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律 第 3 章北京工业大学 土力学课程一. 土的渗透性 渗流模型3.2 土的渗透性和渗流定律水在孔隙中的真实运动轨迹理想化的渗流模型对渗流的简化：u不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；u不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土颗粒所占的空间之总和均为渗流所充满。北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律对渗流模型的要求：u在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；u在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；u在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。一. 土的渗透性 渗流模型北京工业大学 土力学课程3.2

4、土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性 渗流速度u 渗流速度 渗流速度表征过水截面上的平均流速，并不代表水在土中渗流的真实流速。QvAtu 实际流速0QvnAtn 1.0v v0真实渗流仅发生在土体孔隙内北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性 水头和水力梯度（水力坡降）ABL透水层不透水层基坑板桩墙北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面22wuvhzg位置水头压力水头速度水头u 位置水头：代表单位质量液体所具有的位能，与基准面的选取有关；u 压力水头：该点孔隙水压力对应的水柱的高度；u 速度水头：代

5、表单位质量液体所具有的动能。一. 土的渗透性 水头和水力梯度（水力坡降）北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面12hhhiLL 水力梯度：表示在水的渗流路径上单位长度上的水头损失，也称为水力坡降或水头梯度。 水力梯度可以表征水在土中渗流的推动力的大小。u 水力梯度一. 土的渗透性 水头和水力梯度（水力坡降）北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律二. 土的层流渗透定律 达西定律u土体中孔隙一般较小，水在孔隙中渗流时的粘滞阻力很大，流速缓慢。u层流：水流流线互相平行的流动。u层流渗透定律层 流达西（Darcy）定律北

6、京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律达西渗透试验qkAihvkkiL层流的渗透速度与水力梯度成正比二. 土的层流渗透定律 达西定律北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律渗透系数k：表征土体渗透性强弱的指标，数值上等于单位水力梯度时对应的渗流速度，具有速度的量纲。土的渗透系数参考值 土的类别渗透系数（m/s）粘土 510-8粉质粘土510-8110-6粉土110-6510-6黄土2.510-6510-6粉砂510-6110-5二. 土的层流渗透定律 达西定律北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律土的渗透系数参考值 土的类别渗透系数（m/s）细砂110-5

7、510-5中砂510-5210-4粗砂210-4510-4圆砾510-4110-3卵石110-3510-3二. 土的层流渗透定律 达西定律北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律三. 达西定律的适用范围u达西定律只适用于层流的情况，一般只适用于中砂、细砂、粉砂等土类中水的渗流。u对于粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土，水的渗流速度较大，不再是层流而是紊流，达西定律不再适用。u对于粘土中水的渗流，达西定律需进行修正。北京工业大学 土力学课程u粘土中自由水的渗流受到结合水膜粘滞阻力的影响，只有克服结合水的粘滞作用才能开始渗流。u克服结合水的粘滞作用所需要的初始水力梯度，称为粘土的起始水力梯度i

8、0。u粘土中的达西定律：3.2 土的渗透性和渗流定律三. 达西定律的适用范围砂 土粘 土ii00vk ii北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律三. 达西定律的适用范围 用雷诺数Re 判断u若水流速度很小，为粘滞力占优势的层流，达西定律适用，此时雷诺数Re 小于110之间的某一值；u水流速度增加到惯性力占优势的层流和层流向紊流过渡时，达西定律不再适用，此时雷诺数Re 在10100之间； u随着雷诺数Re 的增大，水流进入紊流状态，达西定律完全不适用。北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定及其影响因素土的渗透系数的测定方法：u 室内试验测定 常水头

9、渗透试验 变水头渗透试验u 现场抽水试验H1H2QFlabHhla-dhh1h2土 样北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 常水头渗透试验u 在整个试验过程中，水头差h 保持不变。u 适用于透水性强的无粘性土。hQvAtkAtLQLkhAt北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 变水头渗透试验u 试验过程中储水管中的水位不断下降，渗流水头差不断减小。u 适用于透水性弱的粘性土。adhdQhdQkAdtL北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 变水头渗透试验hadhkAdtL1212ln()h

10、aLkA tthadhdQhdQkAdtL北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 现场抽水试验用于粗颗粒土或成层土北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 现场抽水试验抽水井类型无压完整井无压非完整井北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律四. 渗透系数的测定 现场抽水试验212221ln r rqkhh北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律土的渗透系数的主要影响因素：u 土颗粒的粒径、级配和矿物成分u 土的密实度（孔隙比）u 土的饱和度（土中气体）u 土的结构和构造u 水的温度四. 渗透系数的测定及其

11、影响因素北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律121212iiiqqqFFF1211 122 2112212hqqk F ik F iqkFiFiFik hk hhhiihik hkh五. 成层土的等效渗透系数 水平渗流北京工业大学 土力学课程3.2 土的渗透性和渗流定律121212qqqFFFHHH 1212121212112212112212vhhhhqqqkFiFHFHHhhhhqq hq hhhFF kF kkk iviihkhk五. 成层土的等效渗透系数 竖向渗流北京工业大学 土力学课程例 题 3.1 如图所示的达西渗流试验，假设试管中的砂土为两种土样，土样1位于土样2

12、的上部，它们的高度都是20cm，总水头损失为40cm，土样1的渗透系数为0.03cms，土样2的水力梯度为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力梯度，并求该渗流系统的平均渗透系数。12北京工业大学 土力学课程 某渗透试验装置如图所示。砂I的渗透系数为k12101cms，砂的渗透系数k21101cms，砂样断面积A为200cm2 。 （1）若在砂与砂分界面处安装一测压管，则测压管中水面将升至右端水面以上多高？ （2）渗透流量Q多大？例 题 3.2北京工业大学 土力学课程3.3 渗透破坏与控制 第 3 章北京工业大学 土力学课程3.3 渗透破坏与控制一. 渗流力的计算水在土中流动能量消耗力图拖曳

13、土粒水头损失渗透水流对土体内的土颗粒施加有力的作用。北京工业大学 土力学课程u水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力作用，产生能量损失，阻力的作用方向与水的渗流方向相反，则水流必然有一个相等的力作用在土颗粒上。u当饱和土体中出现水头差时，渗透水流作用于单位体积土骨架上的力称为渗流力（或渗透力，动水力），它是一种体积力。 u渗流力的作用方向与水的渗流方向一致。一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程w nlA2w h A1w h A(1- )wn lAlATA渗透水流的流速变化很小，惯性力可以忽略不计一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程土柱隔离体内水

14、的受力：u 作用在土柱隔离体截面a处的水压力，其方向与水流方向一致；u 作用在土柱隔离体截面b处的水压力，其方向与水流方向相反；u 土柱隔离体内水的重力，其方向为竖直向下；1w h A2w h Aw nlA一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程土柱隔离体内水的受力：u 土柱隔离体内的土颗粒作用于水的力（水对土颗粒作用的浮力的反作用力），其方向为竖直向下；u 水渗流时，土柱隔离体中的土颗粒对水的阻力，其方向与水流方向相反。(1- )wn lAlAT一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程土柱隔离体内水的力平衡方程： 12cos(1)cos0www

15、wh Ah AnlAn lAlATlzz21cos112212()()wwwhzhzHHTill3.3 渗透破坏与控制一. 渗流力的计算北京工业大学 土力学课程渗流力的计算公式： wJTiu渗流力表示的是水流对单位体积土体颗粒的作用力，是由水流的外力转化为均匀分布的体积力（kN/m3），普遍作用于渗流场中所有的土颗粒上。u渗流力的大小与水力梯度成正比，方向与渗流的方向一致。一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程渗流方向对土颗粒间作用力的影响： (a)(b) (a)向下渗流 (b)向上渗流3.3 渗透破坏与控制一. 渗流力的计算北京工业大学 土力学课程渗流方向对土颗粒间

16、作用力的影响： u当水的渗流方向由上向下时，渗流力的方向与土体重力方向一致，使土颗粒之间的接触压力增大；u当水的渗流方向由下向上时，渗流力的方向与土体重力方向相反，使土颗粒之间的接触压力减小。一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程渗流方向对土颗粒间作用力的影响： u 1点：渗流力与重力方向一致，渗流力使土体压密，对稳定有利；u 2点，3点：渗流力与重力方向正交，对稳定不利；u 4点：渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。3.3 渗透破坏与控制一. 渗流力的计算北京工业大学 土力学课程渗流方向对土颗粒间作用力的影响： u当向上的渗流力与土的有效重度相等时，土颗粒之间的压

17、力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。这种现象称为流砂（或流土）。wsatwJi一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程渗流方向对土颗粒间作用力的影响： u 临界水力梯度：u 容许水力梯度：1wsatwcri criiiK安全系数一. 渗流力的计算3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施渗 流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流砂等水库岸坡塌岸、土坝在水位降落时引起的滑动3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程u土工建筑物及地基由于渗流作用而出现土层剥落、地面隆起、形成渗流通道等破坏或变

18、形现象称为渗透破坏或渗透变形。u渗透破坏的主要形式： （1）流砂或流土 （2）管涌和潜蚀 （3）接触流土 （4）接触冲刷二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程u流砂或流土 在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象，主要发生在地基或土坝下游的渗流溢出处。 流砂或流土现象的发生一般是突发性的，对工程危害极大。二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程发生流砂或流土现象的土质条件： u流砂或流土现象主要发生在颗粒级配均匀的饱和细砂、粉砂和粉土层中。u饱和的低塑性粘性土当受

19、到扰动，也会发生流砂或流土现象。u在粗颗粒土及粘土中不易产生流砂或流土现象。二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程流砂现象的危害： u 造成地基土体流失，导致建筑物不均匀沉降。u 造成基坑土体流失，导致基坑破坏。二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程流砂或流土现象的判别 u i icr，土体发生流砂破坏。流砂或流土的安全性评价 crsiiiK安全系数Ks一般取1.52.03.3 渗透破坏与控制二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施北京工业大学 土力学课程预防流砂现象的工程措施 u关键：控制渗流溢出

20、处的水力梯度，使实际的水力梯度不超过允许的范围。u具体措施：切断地基的透水层（防渗墙等）；延长渗流路径，降低溢出处的水力梯度（水平防渗铺盖）；减小渗流压力或者防止土体被渗透力悬浮（减压井等）。二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程u管涌 在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒的孔隙中移动以至流失，随着土体中的孔隙不断扩大，渗流速度不断增大，较粗的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。 管涌一般发生在砂性土中，发生的部位一般在渗流出口处，一般随时间增加不断发展，是一种渐进性质的破坏。3.3 渗透破坏与控制二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施北京工业大学 土力学课程二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北京工业大学 土力学课程 管涌与土颗粒组成的关系： u发生管涌的临界水力梯度与土颗粒的大小及其级配情况有关。u土的不均匀系数越大，管涌现象越容易发生。3.3 渗透破坏与控制二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施北京工业大学 土力学课程管涌现象的判别 不均匀系数6010/uCdduCu10，为非管涌土；u10Cu20，为管涌土。二. 土的渗透破坏（渗透变形）和防治措施3.3 渗透破坏与控制北