土力学第三章土渗透性和渗流

土力学第三章土渗透性和渗流第3章土的渗透性及渗流

概述3.2土的渗透性

土中二维渗流及流网（了解）

渗透破坏与控制概述

在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能量高）的位置向水们低（即能量低）的位置流动。渗透:液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过的性质渗流：液体（如地下水、地下石油）中的流动问题渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力概述土的渗透性的主要研究内容包括：渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。渗透破坏问题：当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满足渗流量或渗透变形的设计要求。水在土体中的渗流的影响：引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影响工程安全。土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一第3章土的渗透性及渗流

概述3.2土的渗透性

土中二维渗流及流网（了解）

渗透破坏与控制土的层流渗透定律渗流的基本概念渗透试验及渗透系数土的渗透性渗流的基本概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。水头式中：

h—总水头，m；v—流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；

p—水压，kPa；γw—水的重度，kN/m3；z—基准面高程，m水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则水头

速度，v

渗流的基本概念ABA、B两点的水头差为：水力梯度i：在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。在大多数情况下，土中水的渗流基本处于层流状态，即或土的层流渗透定律层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。式中：q—单位渗水量，cm3/s；

v—断面平均渗流速度，cm/s；

i—水力梯度或水力坡降；

k—土的渗透系数，cm/s达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系的渗流规律Δh1

h2

达西根据实验发现，单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比，且与土的透水性质有关写成等式（达西定律表达式）达西定律砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土土的层流渗透定律土的层流渗透定律公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积Ar是小于整个断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为假想平均流速。以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速渗透试验及渗透系数渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。测定方法有：室内和现场1.室内渗透试验测定渗透系数时间t内流出的水量（1）常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。Δ截面积为A（2）变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－adh

在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt

适用于透水性差，渗透系数小的粘性土分离变量积分渗透试验及渗透系数截面积为A（地下水位≈测压管水面）渗透试验及渗透系数2.现场测定渗透系数常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确观测孔r2rr1drdhh1hh2Qr处过水断面积为A=2πrh,假设该处水力梯度i为常数，且等于地下水位在该处的坡度时，则i=dh/dr

q=kAi=2πrhkdh/dr

qdr/r=2πkhdh分离变量积分

现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等渗透试验及渗透系数3.影响渗透系数的主要因素（1）土的粒度成分细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。（2）土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。（3）土的饱和度土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。（5）水的温度（4）土的结构细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变，k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。渗透试验及渗透系数4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书）5.成层土的等效渗透系数（1）水平渗透系数H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

达西定律整个土层与层面平行的等效渗透系数平均渗透系数平均水力梯度渗透试验及渗透系数5.成层土的等效渗透系数2.垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力梯度为i1、i2、…、in，总的水力梯度为i

总水头损失等于各层水头损失之和

代入整个土层与层面垂直的平均渗透系数第3章土的渗透性及渗流

概述3.2土的渗透性

土中二维渗流及流网（了解）

渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。渗流力渗流力（动水力）：单位体积土颗粒受到的渗流作用力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h土粒对水流的阻力应为土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反

渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出abc流砂或流土现象流砂或流土现象使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr则，渗流力γ

wi等于土的浮重度γw临界水力梯度：研究表明：土的不均匀系数越大，icr值越小；土中细颗粒含量高，icr增大；土的渗透系数愈大，临界水力坡度愈低。在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。说明：流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小，同时与土的颗粒级配、密度及透水性等条件有关流砂或流土现象流砂现象的防治原则（１）减小或消除水头差

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位流砂或流土现象流砂现象的防治原则（２）增长渗流路径

沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩（３）平衡渗流力

在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力透水材料（４）土层回固处理