土力学渗透实验
土力学2.土的渗透性与渗透问题
2.渗透力的计算 考虑水体பைடு நூலகம்离体的平衡条件，可得：
w hw ww J ' w h1 w hw L w j ' L w h1 ( h h L ) w h j w 1 w wi L L
故渗透力 j = j’= w i 从上式可知，渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大 小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。 (二)临界水力坡降 若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增大，从而作用在土体中的 渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下 的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 土体处于流土 的临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土 时，土柱压在滤网上的压力R＝0，故 W’－J－R＝0 即 ’L－ jL＝0 所以 ’ ＝ j ＝ w ic 从而 ic＝ ’/ w 上式中的ic为临界水力坡降，它是土体开始发生流土破坏时的水力 坡降。
三、层状地基的等效渗透系数 大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的层土所组成，宏观上具有 非均质性。
厚度等效
层状土层
渗透系数等效
单一土层
等效方法： • 等效厚度等于各土层之和。 • 等效渗透系数的大小与水流的方向有关。
层状土的渗流
(一)水平向渗流 水平渗流的特点： (1)各层土中的水力坡降i＝(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
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。显然，土粒 本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速认应大于v。 一般称v 为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:
Vs= v/n
为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。
土力学土的渗透性与渗透问题
一、渗透力和临界水力坡降
沿水流方向放置两个测压 管，测压管水面高差h 土样 土粒对水流 面积 的阻力应为
F w hA
1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力
h
1 h1 2 h2
L
水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h
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
在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数 Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安 全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内
icr i [i ] Fs
二、渗透变形
渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象
h1=160cm，h2=52cm，△t=900s 试样在30℃时的渗透系数
k 30 2.3 h aL 0.1256 4 160 lg 1 2.3 lg 2.09 105 cm/s At 2 t1 h2 30 900 52
选讲例题1
§3
渗透力与渗透变形
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
1998年8月7日13:10 发生管涌险情，很快 形成宽62m的溃口
原因
堤基管涌
焦点词汇：豆腐渣工程
九江大堤决口
土石坝坝基坝身渗流破坏实例 位于青海省，高71 米，长265米，建
于1989年。
1993年8月7日突然 发生溃坝，是现代
碾压堆石坝垮坝的 先例。
溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
水泥土渗透系数试验记录
水泥土渗透系数试验记录实验目的：测定水泥土的渗透系数，以评估其渗透性能。
实验仪器和材料：1. 水泥土试样（规格为10cm × 10cm × 10cm）2.水桶3.水泵4.水位计5.计时器6.温度计7.表面积计算器8.数据记录表实验步骤：1. 制备水泥土试样：将适量水泥和水搅拌均匀，待其凝结成坚实的土体。
然后将土体切成规格为10cm × 10cm × 10cm的试样。
2.准备水桶：将水桶中注满水，并在水桶底部安放水泵，以保持试验过程中的恒定水位。
3.浸泡试样：将水泥土试样放置于水桶中，让其浸泡在水中20分钟以去除试样的孔隙空气。
4.实验开始：从浸泡完毕后的试样上表面测量初始水位，并记录下来。
然后启动水泵。
5.实验过程中，利用计时器测量时间，并测量试样上表面水位的变化。
每隔10分钟记录一次水位变化，一共记录6次。
6.实验结束：在最后一次记录完毕后，关闭水泵，记录试验结束时的水位，并停止计时器。
实验数据记录表：实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）温度（℃）01501015120151.53015240152.55015360153.5数据处理和结果分析：1.计算水位变化速率：根据水位变化的数据计算每10分钟的速率（水位变化值除以10）。
将速率记录在数据表中。
实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）速率（cm/min）温度（℃）0150101510.120151.50.15301520.240152.50.25501530.360153.50.352. 计算渗透系数：根据Darcy定律，渗透系数（K）可以通过下式计算得到：K=(Q*L)/(A*t*∆h)其中，Q表示流量，L表示试样厚度，A表示试样横截面积，t表示时间，∆h表示水位变化值。
假设试样厚度为10cm，横截面积为100cm²。
实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）速率（cm/min）温度（℃）0150101510.120151.50.15301520.240152.50.25501530.360153.50.35根据上述数据计算得到的渗透系数如下：K=(Q*L)/(A*t*∆h)=(0.1*10)/(100*10*1)=0.001结论：根据本次实验的结果分析，水泥土的渗透系数为0.001、这个结果表明水泥土的渗透性较低，即水泥土对水的渗透能力较差，水分难以通过其孔隙系统迅速传递。
《土力学》教案——第二章 土的渗透性和渗透问题
教学内容设计及安排第一节达西定律【基本内容】渗透——在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。
渗透性——土具有被水透过的性能。
一、达西定律v =ki =k Lh或用渗流量表示为q =vA =kiA式中 v ――渗透速度，cm/s 或m/d ；q ――渗流量，cm 3/s 或m 3/d ；i =h /L ――水力坡降（水力梯度），即沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次； h ――试样两端的水头差，cm 或m ； L ――渗径长度；cm 或m ；k ――渗透系数，cm/s 或m/d ；其物理意义是当水力梯度i 等于1时的渗透速度； A ――试样截面积，cm 2或m 2。
【注意】由上式求出的v 是一种假想的平均流速，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。
水在土体中的实际平均流速要比达西定律采用的假想平均流速大。
二、达西定律的适用范围与起始水力坡降对于密实的粘土：由于结合水具有较大的粘滞阻力，只有当水力梯度达到某一数值，克服了结合水的粘滞阻力后才能发生渗透。
起始水力梯度――使粘性土开始发生渗透时的水力坡降。
(a ) 砂土 (b ) 密实粘土 (c )砾石、卵石粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系，如图（b ）中的实线所示，常用虚直线来描述密实粘土的渗透规律。
()b i i k v -= (2-3)式中 i b ――密实粘土的起始水力坡降；对于粗粒土中（如砾、卵石等）：在较小的i 下，v 与i 才呈线性关系，当渗透速度超过临界流速v cr 时，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，如图（c ）所示，此时，达西定律不能适用。
第二节 渗透系数及其确定方法【基本内容】一、渗透试验1．常水头试验常水头试验适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。
常水头试验就是在整个试验过程中，水头保持不变。
试验时测出某时间间隔t 内流过试样的总水量V ，根据达西定律At LhkkiAt qt V === 即 hAtVL k =2．变水头试验粘性土由于渗透系数很小，流经试样的总水量也很小，不易准确测定。
土力学第二章土的渗透性及渗流
基坑开挖降水
井点降水
管井降水
2、渗流量的计算问题
水井渗流 Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
2、渗流量的计算问题
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
3、渗流变形的控制问题
土石坝渗流的变形控制 基坑渗流的变形控制 滑坡的渗流稳定问题
降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题
3、渗流变形的控制问题
100
饱和度 sr(%)
温度
粘滞性低
高
渗透系数的换算
k20
kT
T
渗透系数大
二、 渗透系数的测定方法
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法 井孔抽水试验
井孔注水试验
（1）常水头渗透试验constant head permeability test
由Darcy定律 v kTi
P2 = γwh1
R + P2 = W + P1
R + γwh1 = L(γ + γw) + γwhw
R = ? R = γL－ γwΔh
静水中的土体
R = γ L
渗流中的土体 R = γ L－ γwΔh
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
总渗透力 J = γwΔh
减少的部分由谁承担？
单位体积的渗透力 j = J/V = γwΔh/L = γwi
可用雷诺数Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜10时层流 Re ＞100时紊流 100＞ Re ＞10时为过渡区
两种特例：
（1）粗粒土：
v
土力学 2土的渗透性与渗透问题
流砂
粉细沙随地下水流入基 坑，产生流砂
在基坑开挖和地下结构施工中，必须防止流砂，以 免发生重大基坑坍塌事故。
流砂形成条件：i < icr : i > icr : i = icr :
土体处于稳定状态 土体发生流土破坏 土体处于临界状态
工程经验判断：
➢粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现 表面隆起变形 ；
γwhw+ γwL + j L= γwh1
P2
结论： 渗透力是一种体积力，
其大小与水力梯度成正比。 其方向与渗透方向一致。
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
二.流砂破坏及其防治
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
流砂（流土）：渗流力的方向自下而上时，若渗流力大 于向下的重力，土发生浮起、悬浮并随水流移动的现象。
i 1
达西定律 qx k xiH
n
qix k1iH1 k2iH 2 kniH n
i 1
整个土层与层面平
行的等效渗透系数
1n
kx
H
ki Hi
i 1
1
q1x q2x q3x
1 L
2 Δh x
z k1 k2
H1 H2 H
k3 2
H3
不透水层
与土层平行向渗流时，平均渗透系数的大小受渗透系数最大的控制
为防止发生渗透破坏，采取适当的措施，进行控制。 所以：主要内容为：渗透规律、渗透系数测定、工程中渗 透破坏类型及控制。
主要内容
2.1 概述 2.2 土的渗透系数及其确定方法 2.3 土的渗流和流网 （只讲概念） 2.4 渗透破坏与控制
土力学土的渗透性与渗透问题
设饱和土体内某一研究平面的 总面积为A，其中粒间接触面积之 和为As ,则该平面内由孔隙水所占 面积为 Aw ＝A－As.若由外荷(和/或 自重)在该研究平面上所引起的法 向总应力为,如图所示，那么，它 必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同来分担，即该面上的总法向 力等于孔隙水所承担的力和粒间所 承担的力之和，于是可以写成：
式中，右端第一项Psv/A为全部竖向 粒间作用力之和除以横断面积A，它 代表全面积A上的平均竖直向粒间应力，并定义为有效应力，习惯上用 ‘ 表示。有端第二项中的As/A，试验研究表明，粒间接触面积As不超过 0.03A，故 As/A可忽略不计。于是上式可简化为:
＝‘ 十 u 即为著名的有效应力原理
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(1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细 颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件， 可用管涌的水力坡降表示。 流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌 现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。
渗流量之和，即 将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：
(二)竖直向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速
相同，即 (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和，即 将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：
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测管水头：位置水头与压力水头之和 h= z+ u/w
测管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能
伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出： (1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全是由总水头差决定。只有当 两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点 流动。 (2)由于土中渗流阻力大，故流速 v 在一般情况下都很小，因而形成的 流速水头也很小，为简便起见可以忽略。渗流中任一点的总水头就可 用测管水头来代替。 水力坡降
粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨
粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨渗透试验是土力学实验中常用的试验方法之一，它用于研究土壤在水力作用下的渗透特性。
而对于粗粒土，其颗粒大小较大，渗透特性与细粒土有明显区别。
因此，针对粗粒土的渗透试验需要缩小试验尺度，以避免试验过程中颗粒间的重力损失影响各项渗透参数的精确测定。
本文就粗粒土渗透试验缩尺原则与方法进行探讨。
一、缩尺原则对于细粒土而言，由于颗粒间距较小，渗透试验可以采取相对较大的试验尺度。
而粗粒土则因颗粒较大，渗透孔径较小，容易使颗粒在孔道内移动，进而影响渗透特性的准确测定。
因此，对于粗粒土的渗透试验应视颗粒大小及粗细系数的不同，考虑采用适当的缩尺原则。
1.缩后深度缩尺试验时，缩小的尺度应当是线性尺度。
由于渗透试验涉及到孔隙水压的分布，因此渗透试验的缩小尺度需要考虑到孔间距离与孔径的比例。
我们可以通过 Klinkenberg 与 Kozeny 等关系式来计算孔径和孔间距离与粗细系数的比值。
孔径和孔间距离的比例越大，试验上运用的缩尺系数就应越小。
2.缩尺系数缩尺系数实质是一种比例关系，是指需要缩小尺度时，缩小前与缩小后的比值。
缩尺系数可以由几个因素来决定，如颗粒大小、颗粒形状和孔径大小等。
缩尺系数的确定需要通过试验、数据模拟来进行。
一般来讲，当颗粒大小和颗粒形状相似时，可以直接采用下列公式计算缩尺系数：λ = (D0 / D)²其中，D0 为原尺度试验时使用的直径，D 为缩后直径。
3.渗透速度计算缩尺后的试验数据需要还原到原有的尺度。
为了求得原有尺度下测量的渗透系数，需要用缩尺试验数据进行计算。
测定粗粒土的渗透速度时，可以通过Darcy公式来计算。
可根据下列公式计算原有尺度下渗透系数：kr （原始尺度下）= krK/λ²其中，krK 是缩尺试验的渗透系数，λ 是缩尺系数。
另外，如果试验数据足够充分，也可利用缩尺试验数据来得到原有尺度下的渗透系数。
土力学渗透实验
文档来源为: 从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持3.2.2 尾矿的渗透特性影响上游法筑坝尾矿库安全稳定性的诸多因素中，尾矿库的渗流状态是最重要的因素之一。
只有深入分析尾矿库的渗流状态，才能确定合理的筑坝工程指标，选择合适的排渗方案，从而保证尾矿库的安全[65,73,74]。
目前，国内外对尾矿库进行渗流分析时很少考虑尾矿的渗透系数随填埋位置和时间的变化。
近代土力学的研究表明，土的渗透特性与土中孔隙的多少和孔隙的分布情况密切相关。
随着尾矿的排放，下部堆积尾矿的上覆土压力逐渐增加。
在上覆土压力的作用下，尾矿将逐渐排水固结，随着固结的进行，尾矿孔隙比逐渐减小，而孔隙比的减小必然引起渗透系数的变化。
堆积尾矿的渗透系数与上部固结压力和孔隙比之间存在何种关系是一个值得探讨的问题[75-76]。
本文通过室内试验的方法，研究不同固结压力和孔隙比条件下各类尾矿的渗透系数变化情况，从而为尾矿库渗流稳定性分析提供科学依据。
(1)固结—渗透联合测定装置说明①固结—渗透联合测定装置构造说明现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为《土工试验方法标准》[68](GB/T50123-1999)中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水头渗透试验” 中的变水头渗透仪。
上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。
针对目前常见渗透试验装置存在的不足，为了减少同一试验中相同土样的制备数量和消除同一试验相同土样在制备过程中产生的误差，作者在70型渗透仪的基础上进行了合理改进，自行研制了固结—渗透联合测定装置，该装置不仅实现了定量、均匀施加固结压力，精确测定单一固结压力下的渗透系数的基本目的，而且实现了针对一个土样可以连续精确测定不同固结压力条件下土样的渗透系数，得到固结压力—孔隙比—渗透系数的定量变化规律，弥补了普通渗透装置由于无法定量、均匀施加固结压力，导致无法精确测定固结压力条件下土样的渗透系数，同时也不能连续测定不同固结压力下土样渗透系数的不足，提高了固结压力下渗透系数的测量精度而且大大减少了测定不同固结压力条件下土样渗透性的试验次数，该参数精度的提高使相关问题的研究更贴近实际。
土力学实验报告渗透实验
一、实验目的1. 了解渗透实验的基本原理和操作方法。
2. 掌握测定土样渗透系数的方法。
3. 分析不同土样和不同条件下渗透系数的变化规律。
二、实验原理渗透实验是土力学中研究土体渗透性能的重要实验方法。
根据达西定律，渗透系数k是反映土体渗透性能的重要指标，其表达式为：\[ Q = kA \frac{dh}{L} \]其中，Q为渗透流量，A为土样横截面积，dh为土样两侧水头差，L为土样长度。
通过测定不同水头差下的渗透流量，可以计算出土样的渗透系数。
三、实验仪器与材料1. 渗透实验装置：包括渗透仪、土样、量筒、水头差计等。
2. 土样：选取不同土质、不同颗粒级配的土样。
3. 水源：清水。
四、实验步骤1. 将土样制备成圆柱形，并测量其直径和高度。
2. 将土样放入渗透仪中，调整水头差计，确保水头差稳定。
3. 记录初始时刻的渗透流量和土样两侧水头差。
4. 每隔一定时间，记录渗透流量和土样两侧水头差。
5. 绘制渗透流量与时间的关系曲线，并计算渗透系数。
五、实验数据及结果分析1. 实验数据| 时间（min） | 渗透流量（cm³/min） | 水头差（cm） || :----------: | :-------------------: | :----------: || 0 | 0.5 | 5 || 10 | 1.2 | 5 || 20 | 1.8 | 5 || 30 | 2.5 | 5 || 40 | 3.2 | 5 || 50 | 3.8 | 5 || 60 | 4.5 | 5 |2. 结果分析（1）从实验数据可以看出，土样的渗透流量随时间逐渐增大，说明土样具有一定的渗透性。
（2）绘制渗透流量与时间的关系曲线，可以看出渗透流量与时间呈线性关系，说明土样的渗透系数在一定时间内保持恒定。
（3）根据达西定律，可以计算出土样的渗透系数为：\[ k = \frac{Q}{A \frac{dh}{L}} = \frac{0.5}{\pi \times (5/2)^2\times 5} = 0.013 \, \text{cm/min} \]六、结论1. 通过渗透实验，掌握了测定土样渗透系数的方法。
土力学实验报告
土力学实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过对土壤样本进行不同条件下的力学性质测试，从而掌握土壤的力学特性，为土木工程设计和施工提供依据。
二、实验原理。
土力学是研究土壤受力及变形规律的学科，通过实验可以获取土壤的强度、变形特性等参数。
本实验主要涉及三个方面的内容，一是土壤的抗剪强度，二是土壤的压缩特性，三是土壤的渗透特性。
三、实验材料与设备。
1. 实验材料，本实验使用的土壤样本为黏土和砂土。
2. 实验设备，包括直剪仪、压缩仪、渗透仪等。
四、实验内容与步骤。
1. 土壤抗剪强度测试，首先，取一定量的土壤样本，放入直剪仪中，施加不同的剪切荷载，记录土壤的抗剪强度参数。
2. 土壤压缩特性测试，将土壤样本放入压缩仪中，施加垂直荷载，观察土壤的压缩变形规律，获取土壤的压缩特性参数。
3. 土壤渗透特性测试，利用渗透仪对土壤进行渗透试验，测定土壤的渗透系数等参数。
五、实验结果与分析。
通过实验测试，我们得到了土壤样本的抗剪强度、压缩特性和渗透特性参数。
通过对这些参数的分析，可以得出土壤的力学性质，为工程设计和施工提供参考依据。
六、实验结论。
1. 土壤抗剪强度与剪切荷载呈正相关关系，不同类型的土壤具有不同的抗剪强度。
2. 土壤的压缩特性与垂直荷载呈正相关关系，土壤的压缩系数与土壤类型、含水量等因素有关。
3. 土壤的渗透特性与渗透试验条件、土壤类型等因素密切相关，不同土壤的渗透系数存在差异。
七、实验注意事项。
1. 在进行土壤抗剪强度测试时，要保证土壤样本的充分密实，避免空隙对测试结果的影响。
2. 在进行土壤压缩特性测试时，要注意控制压缩速率，避免过快或过慢导致测试结果的失真。
3. 在进行土壤渗透特性测试时，要保证渗透试验装置的密封性，避免外界因素对测试结果的干扰。
八、实验总结。
通过本次土力学实验，我们深入了解了土壤的力学性质，掌握了土壤力学参数的测试方法和分析技巧，这对于土木工程的设计和施工具有重要意义。
以上就是本次土力学实验的报告内容，希望对大家有所帮助。
水力学设计实验
砂土及粘土土样渗透系数测定一、实验内容：渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。
影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法(包括实验室测定法和现场测定法)或经验估算法来确定k值。
本项目通过达西实验装置，采用实验室测定法进行实验研究。
本项目通过采集天然土样模拟工程样本土体，主要研究土样在不同的压实方式和配合比两种情况下，测定渗透系数k。
实验要求：1、选定沙土或粘土土样若干份，设定压实方式：2、根据测量资料，计算不同观测情况下的渗透系数K：3、提出观测沙石土样的渗透系数的计算公式。
二、实验设备名称：达西实验装置（如下图）：①-直立圆筒②-滤板③-溢水管④-出水管⑤-盛水容器（量杯）三、实验步骤：①、实验前期准备。
取足够多的粘土为土样。
将土样分为三组，分别采用碾压、夯实、振实三种方式对土样进行压实。
②、实验。
1、记录或测量直立圆筒直径D和两测压管的的安装高度差L。
2、在保持已制备好的土样结构的情况下，选取碾实方式的土样，将其小心地装入直立圆筒内。
3、打开自来水阀门，往试样内注水。
4、待注水后一段时间，直立圆筒内水位稳定时，用吸管对两测压管进行排气处理。
5、调节自来水管流速，保持直立圆筒内水位稳定。
6、待测压管中的水位稳定后，观测测压管的读数分别为H1 、H2。
7、用秒表计时，每隔时间T，记录量杯中水的质量M。
8、重复7步骤三次。
9、将碾实土样换成夯实土样、振实土样，重复1~ 8步骤。
10、整理实验仪器，处理实验数据并填写实验报告。
四、实验需要数据：直立圆筒至直径D、两测压管安装高度差L五、实验处理方法：1、体积法测流量：Q=V/T。
2、达西定律计算渗透系数：Q=kAJ。
3、分组平均法求渗透系数。
下面以压实方式为碾实为实例计算渗透系数K：直立圆筒直径D、两测压管安装高度差L、实验时间间隔T、三次实验质量M 1、M2、M3,，测压管水位分别为H1、H2。
土力学 第3章 土的渗流
第三章 土的渗透性
a-a平面上的总应力仍保持不变，等于
于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为
地下水按埋藏条件可分上层滞水、潜水、承压水3类。 上层滞水：存在于地面以下 局部隔水层上面的积水。分 布范围有限，是季节性或临 时性的水源。 潜水：埋藏在地面以下第一 个连续稳定的隔水层以上， 具有自由水面的地下水。潜 水的水面标高称为地下水位。 潜水水位往往低于上层滞水。 承压水：充满在两个稳定的 隔水层问的承受一定静水压 力的地下水。承压水上下都有 隔水层存在，它的埋藏区与补 给区不一致。 因此，承压水的动态变化， 受局部气候的影响不明显。
5
3-2
土的渗透性
一、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大 、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流，即相邻2个水分子运 动的轨迹相互平行而不混流。 著名的达西(Darcy)渗透定律：
渗透速度：
h v k ki L
或 渗流量为：
q vA kiA
qx q1x q2 x qnx qix
i 1
n
整个土层与层面平行的平均渗流系数为：
kx
1 H
k H
i 1 i
n
i
第三章 土的渗透性
如图3－6 (b) 所示与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总 渗流量qy应为各土层渗流量之总和，即
qy q1y q2 y qny
土力学渗透试验(实验五)
一、试验目的
通过实验测定变水头条件下（或常水头条件下）粘性土（或无粘性 土）的渗透系数 。
二、试验原理
变水头法试验：在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的， 其装置如图所示，试样的一端与细玻璃管相接，在试验过程中量测某 一时段内细玻璃管中水位的变化，就可根据达西定律，求得土的渗透 系数。
五、实验记录及数据处理
1、按下式计算水温T℃时试样的渗透系数
KT
2.3aLlgh1 At h2
式中：a — 变水头管截面积（cm2）；
L — 渗径，等于试样高度（cm）；
h1 — 开始时水头（cm）；
h2 — 终止时水头（cm）；
A — 试样的断面积（cm2）；
t — 时间（s）；
KT —水温T℃时试样的渗透系数（cm/s） 。
三、试验仪器
1、南-55型渗透仪、南-55型（改进行）渗透仪。
2、水头装置：变水头管要求内径均匀且不大于1cm，装 在带有刻度且读数精确到1.0mm的木板上。
3、切土器，100mL量筒，秒表，温度计，削土刀，钢丝 锯，凡士林等。
四、实验方法及步骤：
1. 根据需要用环刀在垂直或平行土样层面切取原状 试样，或制备给定密度的扰动试样，进行充水饱和。注 意切土时，尽量避免结构扰动，影响实验结果。
22 0
式中：K20 — 水温为20℃时试样的渗透系数（cm/s）；
ηT — T℃时水的动力粘滞系数（Pa ·S）； η20 — 20℃时水的动力粘滞系数（Pa ·S）； 比值ηT /η20与温度的关系，见表。
3. 在测得的结是中取3－4个允许误差范围以内的数值， 求其平均值，作为试样在该孔隙比e时的渗透系数。
4. 根据需要，可在半对数坐标中，绘制以孔隙比为纵坐标， 渗透系数为横坐标的e ~ k关系曲线图。
土力学 渗透作业
1、如图4-12所示渗透试验装置，水平的圆形截面容器内装有砂土和黏土两种土样，它们的长度分别为12,L L ，如A 、B 两容器水面保持不变，水自左向右渗透土试样，总水头损失为h ∆，渗流过黏土与砂土的水头损失分别为12,h h ∆∆。
若水流经黏土和砂土的渗透系数分别为12,k k ，则12k k 等于多少？（答案：2112
h L h L ∆∆） 图4-12
2、如图4-7所示，土样的孔隙比是0.75，颗粒比重为2.68。
求渗透的水力梯度达到临界值时的总水头差。
（答案：24cm ）
3、某地基土层剖面如图所示，已知承压水头h=6m ，试求基坑开挖的最大深度H 而不发生流土。
（答案：6.82m ）
4、某常水头渗透试验装置如图所示，土样Ⅰ的渗透系数s cm k /2.01=，土样Ⅱ的渗透系数s cm k /1.02=，土样横截面积2200cm A =。
如果保持图中水位恒定，则该试验的流量应保持为下列哪个选项？
A ．s cm /0.103
B ．s cm /1.113
C ．s cm /3.133
D ．s cm /0.153
分析：虽然两个土样的渗透系数不一样，但流过两个土样的渗流流量应相等。
这个判断是关键，由此建立方程。
（答案：C ）。
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3.2.2 尾矿的渗透特性影响上游法筑坝尾矿库安全稳定性的诸多因素中，尾矿库的渗流状态是最重要的因素之一。
只有深入分析尾矿库的渗流状态，才能确定合理的筑坝工程指标，选择合适的排渗方案，从而保证尾矿库的安全[65,73,74]。
目前，国内外对尾矿库进行渗流分析时很少考虑尾矿的渗透系数随填埋位置和时间的变化。
近代土力学的研究表明，土的渗透特性与土中孔隙的多少和孔隙的分布情况密切相关。
随着尾矿的排放，下部堆积尾矿的上覆土压力逐渐增加。
在上覆土压力的作用下，尾矿将逐渐排水固结，随着固结的进行，尾矿孔隙比逐渐减小，而孔隙比的减小必然引起渗透系数的变化。
堆积尾矿的渗透系数与上部固结压力和孔隙比之间存在何种关系是一个值得探讨的问题[75-76]。
本文通过室内试验的方法，研究不同固结压力和孔隙比条件下各类尾矿的渗透系数变化情况，从而为尾矿库渗流稳定性分析提供科学依据。
（1）固结—渗透联合测定装置说明①固结—渗透联合测定装置构造说明现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为《土工试验方法标准》[68]（GB/T50123-1999）中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水头渗透试验”中的变水头渗透仪。
上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。
针对目前常见渗透试验装置存在的不足，为了减少同一试验中相同土样的制备数量和消除同一试验相同土样在制备过程中产生的误差，作者在70型渗透仪的基础上进行了合理改进，自行研制了固结—渗透联合测定装置，该装置不仅实现了定量、均匀施加固结压力，精确测定单一固结压力下的渗透系数的基本目的，而且实现了针对一个土样可以连续精确测定不同固结压力条件下土样的渗透系数，得到固结压力—孔隙比—渗透系数的定量变化规律，弥补了普通渗透装置由于无法定量、均匀施加固结压力，导致无法精确测定固结压力条件下土样的渗透系数，同时也不能连续测定不同固结压力下土样渗透系数的不足，提高了固结压力下渗透系数的测量精度而且大大减少了测定不同固结压力条件下土样渗透性的试验次数，该参数精度的提高使相关问题的研究更贴近实际。
固结—渗透联合测定装置的详细构造如图3.6所示：图3.6 固结—渗透联合测定装置示意图 Fig. 3.6 Schematic plot of Osmotic Oedometer固结—渗透联合测定装置构造说明：本装置的溢水孔亦是测量孔。
通过加压活塞可以改变土样所承受的轴向荷载，加压活塞与加压筒的筒壁之间有间隙，水可在加压活塞与加压筒筒壁之间自由流动。
②试验方法：a.将透水石放入加压筒的底部，在透水石上放一层滤纸并将土样放入加压筒的内腔中，在土样上再放一层滤纸，放上透水石并在透水石上放上加压活塞；b.在支架两边分别安装1个百分表，并使两个百分表的触头分别顶在加压筒的上表面，在进水口上安装进水管，在溢水孔上安装流量计或在溢水孔外设置量筒，将本装置安装在固结试验台上；c.通过安装在进水口上的进水管向加压筒内注水，使土样排气、饱和；d.通过固结试验台施加一定的固结压力来模拟试样的不同压力状态，通过百分表读取土样的轴向变形量，当土样变形稳定时，测定渗透系数；e.通过固结试验台改变固结压力，再次进行其他固结压力条件下的渗透试验。
（2）不同固结压力条件下尾矿固结渗透试验①实验内容：使用固结—渗透联合测定装置采用常水头法分别测定阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿及混合尾矿、分层尾矿在0 kPa 、32.5 kPa 、65 kPa 、130 kPa 、260 kPa 、390 kPa 、780 kPa 、1170 kPa 八级固结压力下的渗透系数，每施加一级荷载后需等待沉降稳定后再测量其渗透系数，每个渗透系数测两次，固结稳定的1—加压活塞； 2—加压筒； 3—进水口； 4—溢水孔； 5—支架； 6—透水石； 7—滤纸； 8—土样； 9—量筒。
.判别标准为每小时沉降量小于0.01 mm。
取两次测量值的平均值作为该级荷载下的渗透系数。
为了减小试验误差，所有试验均在常温下进行。
②砂类尾矿固结—渗透试验方法：砂类尾矿渗透系数很大，因此为避免由于透水石渗透系数小于砂类尾矿渗透系数而造成的测量结果错误，采用金属网代替透水石，并在金属网上边铺上一层粗砂代替滤纸作为反滤层来进行砂类尾矿的固结—渗透试验。
修正各砂类尾矿的实际固结数据，以消除两端反滤层及金属网压缩变形对试验结果的影响，得到不同固结压力条件下砂类尾矿的实际单位沉降量和孔隙比。
图 3.7 固结—渗透联合测定装置图 3.8 尾矿的固结—渗透联合试验Fig. 3.7 Osmotic Oedometer Fig. 3.8 Osmotic Oedometer test of tailings③阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透试验结果及分析阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿，不同固结压力条件下孔隙比数据如表3.8所示：表3.8 阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在各固结压力下的孔隙比数据 Tab. 3.8 Void ratio datas of all types of tailings under consolidation pressures固结压力/kPa 孔隙比e阿哈来 尾细砂 阿哈来 尾粉砂 阿哈来 尾粉土 阿哈来 原尾矿 同乃 尾粉砂 同乃 尾粉土 同乃 原尾矿 0 0.851 0.849 1.529 0.839 0.993 1.145 1.021 32.5 0.846 0.836 1.513 0.875 0.924 1.032 0.946 65 0.839 0.829 1.5 0.862 0.847 0.968 0.889 130 0.832 0.818 1.489 0.856 0.758 0.934 0.848 260 0.821 0.8 1.471 0.84 0.683 0.897 0.763 390 0.814 0.789 1.459 0.825 0.659 0.853 0.734 780 0.801 0.778 1.438 0.801 0.614 0.821 0.702 11700.7840.7691.4240.7970.5980.7820.679根据表3.8绘制阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿孔隙比与固结压力关系曲线，如图3.9、3.10所示：阿哈来原尾矿孔隙比e固结压力P（kpa）图3.9 阿哈来尾矿库各类型尾矿的e p -关系Fig. 3.9 Relationship of e p - of all types of the A halai tailings10020030040050060070080090010001100120013000.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.001.051.101.15孔隙比e固结压力P（kpa）图3.10同乃尾矿库各类型尾矿的e p -关系Fig. 3.10 Relationship of e p - of all types of the Tong nai tailings当固结压力增大时，各种尾矿试样的压缩规律与前面的压缩特性规律相近，但因有持续水流的作用，其结果有细微的差别，体现在阿哈来原尾矿和同乃尾粉土试样上，其孔隙比随固结压力的增大变化梯度稍大，阿哈来尾粉砂的最终孔隙比最小。
不同固结压力条件下尾矿土样渗透系数数据如表3.9所示：表3.9 阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在不同固结压力下的渗透系数数据 Tab. 3.9 Permeability coefficient datas of all types of tailings under consolidation pressures 固结压力/kPa 渗透系数/(10-2cm/s)阿哈来 尾细砂 阿哈来 尾粉砂 阿哈来 尾粉土 阿哈来 原尾矿 同乃 尾粉砂 同乃 尾粉土 同乃 原尾矿 0 6.29 9.2 0.0891 0.58 0.095 0.0053 0.0065 32.5 6.19 8.18 0.0746 0.5 0.084 0.0042 0.0056 65 6.015 7.68 0.0669 0.42 0.077 0.0039 0.0052 130 5.804 6.98 0.0616 0.37 0.072 0.0037 0.0049 260 5.65 6.56 0.0565 0.34 0.068 0.0035 0.0047 390 5.54 6.31 0.0529 0.32 0.067 0.0032 0.0045 780 5.41 5.78 0.0486 0.3 0.066 0.0031 0.0044 11705.335.460.04650.290.0650.00290.0043根据数据表3.9绘制阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿渗透系数与固结压力关系曲线图3.11、3.12：13000.01.0x10-22.0x10-23.0x10-24.0x10-25.0x10-26.0x10-27.0x10-28.0x10-29.0x10-2渗透系数k （c m /s ）固结压力（KPa）图3.11 阿哈来尾矿库各类型尾矿k p -关系 Fig. 3.11 Relationship of k p - of all types of the A halai tailings渗透系数k （c m /s ）固结压力P（KPa）图3.12 同乃尾矿库各类型尾矿k p -关系 Fig. 3.12 Relationship of k p - of all types of the Tong nai tailings阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿试样渗透系数与孔隙比的相关关系，如表3.10所示：表3.10 阿哈来、同乃各类型尾矿渗透系数与孔隙比的关系数据 阿哈来尾细砂孔隙比e 0.8510.846 0.839 0.832 0.821 0.814 0.801 0.784 渗透系数k（10-2 cm/s ） 6.29 6.196.0155.8045.655.545.415.33阿哈来 尾粉砂孔隙比e 0.849 0.836 0.829 0.818 0.800 0.789 0.778 0.769 渗透系数k （10-2 cm/s ） 9.2 8.187.686.986.566.315.785.46阿哈来 尾粉土孔隙比e 1.529 1.513 1.500 1.489 1.471 1.459 1.438 1.424 渗透系数k （10-2 cm/s ） 0.0891 0.07460.06690.06160.05650.05290.04860.0465阿哈来 原尾矿 孔隙比e 0.839 0.875 0.862 0.856 0.840 0.825 0.801 0.797 渗透系数k （10-2 cm/s ） 0.580.50.420.370.340.320.30.29尾粉砂渗透系数k （10-2cm/s ） 0.0950.084 0.077 0.072 0.068 0.067 0.066 0.065同乃 尾粉土 孔隙比e 1.145 1.032 0.968 0.934 0.897 0.853 0.821 0.782 渗透系数k （10-2cm/s ） 0.00530.00420.00390.00370.00350.00320.00310.0029同乃 原尾矿孔隙比e 1.021 0.946 0.889 0.848 0.763 0.734 0.702 0.679 渗透系数k （10-2 cm/s ）0.00650.00560.00520.00490.00470.00450.00440.0043根据表3.10中阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿渗透系数与孔隙比的关系作各尾矿土样的渗透系数与孔隙比的关系曲线，如图3.13~3.19所示：1.0x102.0x103.0x104.0x105.0x106.0x10渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.13 阿哈来尾细砂k e -关系Fig. 3.13 Relationship of k e - of the A halai fine sand tailings5.0x101.0x101.5x102.0x102.5x103.0x103.5x104.0x104.5x105.0x105.5x106.0x106.5x107.0x107.5x108.0x108.5x109.0x109.5x10渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.14 阿哈来尾粉砂k e -关系Fig. 3.14 Relationship of k e - of the A halai fine silty sand tailings5.0x101.0x101.5x102.0x102.5x103.0x103.5x104.0x104.5x105.0x105.5x106.0x106.5x107.0x107.5x108.0x108.5x109.0x109.5x10渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.15 阿哈来尾粉土k e -关系Fig. 3.15 Relationship of k e - of the A halai silty soil tailings0.900.880.860.840.820.800.780.760.05.0x10-41.0x10-31.5x10-32.0x10-32.5x10-33.0x10-33.5x10-34.0x10-34.5x10-35.0x10-35.5x10-36.0x10-3渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.16 阿哈来原尾矿k e -关系 Fig. 3.16 Relationship of k e - of the A halai original tailings5.0x101.0x101.5x102.0x102.5x103.0x103.5x104.0x104.5x105.0x105.5x106.0x106.5x107.0x107.5x108.0x108.5x109.0x109.5x10渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.17 同乃尾粉砂k e -关系Fig. 3.17 Relationship of k e - of the Tong nai silty sand tailings5.0x101.0x101.5x102.0x102.5x103.0x103.5x104.0x104.5x105.0x105.5x10渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.18 同乃尾粉土k e -关系Fig. 3.18 Relationship of k e - of the Tong nai silty soil tailings1.000.950.900.850.800.750.700.650.05.0x10-61.0x10-51.5x10-52.0x10-52.5x10-53.0x10-53.5x10-54.0x10-54.5x10-55.0x10-55.5x10-56.0x10-56.5x10-5渗透系数k （c m /s ）孔隙比e图3.19 同乃原尾矿k e -关系Fig. 3.19 Relationship of k e - of the Tong nai original tailings由图3.13～3.19可知，阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透系数均随着孔隙比的减小而减小，但是减小的程度不同，其中的阿哈来尾粉土、阿哈来原尾矿、同乃尾粉土减小了1倍左右。