3第三章-土的渗透性

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一、渗流力的概念
总渗透力：
γw h1 A= γw h2A +J J= γw h1 A- γw h2 A = γw （h1 - h2 ） A = γw h A
单位体积渗透力： j=J/(AL) = γwhA/(AL) =γw i
以孔隙 水为研 究对象
h1
h
h2
j —渗透力，KN/m3； i —水力坡度； γw ——水的重度,KN/m3 渗透力为体积力
h1
aL dh kA h
aL h1 aL h1 k= ln = 2.3 lg A(t 2 − t1 ) h2 A(t 2 − t1 ) h2
二、成层土的渗透系数
天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层 层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和 厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的 平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。
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量，与 土层深度成正比，也呈三角形分布，与超出土面以上静 水位的高低无关。
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水 应力和有效应力
上图表示在水位差作用下，发生由上向 下的渗流情况。此时在土层表面b-b上的 孔隙水应力与静水情况相同，仍等于 γwh1，a-a平面上的孔隙水应力将因水头 损失而减小，其值为
黏土铺盖
必要时设防渗帷 幕
加州沃森维尔附近的野外涌沙
第2节 达西渗透定律 节
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 著名的达西渗透定律： 渗透速度： h
v=k
或渗流量为：
L
= ki
q = vA = kiA
一、达西渗透定律
h v = ki = k L
VL k= Aht
一、实验室内测定渗透系数
（二）变水头 法 在整个试验 过程中，水头 是随着时间而 变化的。适用 于透水性弱的 粘性土。
一、实验室内测定渗透系数
dV = −adh
aL dh dt = − kA h
h dV = k Adt L
∫
t2
t1
dt = − ∫
h2
二、成层土的渗透系数
整个土层与层面平行的平均渗透 系数kx为 整个土层与层面垂直的平均渗透系 数ky为 对于成层土，如果各土层的厚度大 致相近，而渗透性却相差悬殊时， 与层向平行的平均渗透系数kx将取 决于最透水土层的厚度和渗透性， 而与层面垂直的平均渗透系数ky将 取决于最不透水土层的厚度和渗透 性。
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水 应力和有效应力
同理可推导向上渗流的情况。 与静水情况相比，当有向上渗流作用时，a-a平面上的 总应力保持不变，孔隙水应力增加了γwh，而有效应力 相应地减少了γwh 。因而，又一次证明在总应力不变的 条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少。
THE END FOR CHAPTER THREE
a-a平面上的总应力仍保持不变，等于
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水 应力和有效应力
于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为
与静水情况相比，当有向下渗流作用时，a-a平面上的总 应力保持不变，孔隙水应力减少了γwh。因而，证明了总 应力不变的条件下孔隙水应力的减少等于有效应力的等量 增加。
1 kx = H
∑k H
i =1 i
n
i
H ky = n Hi ∑ k i =1 i
第5节 渗流力及渗透稳定性 节
渗流所引起的稳定问题：1)局部稳定问题，又称为渗透变 形问题；2)整体稳定问题。应该指出，局部稳定问题如不 及时加以防治，同样会酿成整个建筑物的毁坏。 一、渗流力的概念 水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失 是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量 的结果。自然，水流在拖曳土粒时将给予土粒以某种拖曳 力，我们将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为 渗透力。 渗透力。
渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一 个重要的力学性质指标。 一、实验室内测定渗透系数 就原理而言，可分为：常水头试验和变水头试验。 （一）常水头法 是在整个试验过程中，水头保持不变。此法适用 于透水性强的无粘性土。
一、实验室内测定渗透系数
常水头试验装置
一、实验室内测定渗透系数
V q = = vA t
Re = ρ wvd / η < 1.0
式中：ρw、v、 η 、 d分别为水的密度、流速、粘 滞系数、土粒平均粒径。 注意Re的定义 注意 的定义 水力学》 同《水力学》 式中：ρw、v、 η 、 d分别为水的密 中的区别 度、流速、粘滞系数、管径。
Re = ρ wvd / η < 2300
第3节 渗透系数的测定 节
σ =σ′+u
二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力 和有效应力
上图为浸没在水下的饱和土体，设 土面至水面的距离为h1,土的饱和容 重为γsat，则土面下深度为h2的a-a平 γ h a-a 面上的总应力为
孔隙水应力为
二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力 和有效应力
于是，根据有效应力原理，a-a平面上的有效应力为
A L
二、渗透变形
（一）渗透变形的形式 渗透变形可分为：流土和 管涌两种基本形式。 流土：在渗流作用下局部 流土 土体表面隆起，或土粒群 同时起动而流失的现象。
二、渗透变形
管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙 管涌 通道中发生移动并被带出的现象。
二、渗透变形
土可细分为： 管涌型土 过渡型土 流土型土 分类依据（详见课本P100）：Cu、P、D0、Pop、 d3、d5。
一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力 把饱和土体中由孔隙水来承担或传递 的应力定义为孔隙水应力 通过粒间的接触面传递的应力称为有
u = γ w hw
效应力
σ ′ = Ns / A
只有有效应力才能使土体产生压缩 （或固结）和强度。
一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力
有效应力原理：
σ = N s / A + ( A − As )u / A = σ ′ + (1 − a )u
二、渗透变形
3、临界水力梯度的试验资料 （1）临界水力梯度度与细料含量的关系 细料含量越高，临界水力梯度越大。 （3）临界水力梯度与渗透系数的关系 渗透系数越大，临界水力梯度越小。 如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差。
第6节 在静水和有渗流情况下的孔隙水应 节 力和有效应力
第3章 土的渗透性 章
概 述 达西渗透定律 渗透系数的测定 渗流力及渗透稳定性 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力 和有效应力
第1节 概述 节
渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的 渗透 作用时，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 渗透性。 渗透性 土的渗透性问题 问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态 问题 的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从 而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。
j
icr = γ ′ / γ w
或
icr = (Gs − 1)(1 − n )
γ′
二、渗透变形
2、管涌型土的临界水力梯度 管涌土的临界水力梯度可通过试验来测定。
d5 icr = 2.2(Gs − 1)(1 − n ) d 20
2
二、渗透变形
试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断 管涌外，还可借助于水力梯度i与流速v之间的 变化来判断管涌是否出现。
二、渗透变形
（二）土的临界水力梯度 土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。以濒 临渗透破坏时的水力梯度表示，称为临界水力梯 临界水力梯 度或抗渗梯度 1、流土型土的临界水力梯度 当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处 于流土的临界状态，即
二、渗透变形
j =γ′ j = γ wicr γ ′ = γ w (Gs − 1)(1 − n )
假想平均流速与实际平均流速的关系
e v = v′n = v′ 1+ e
二、达西渗透定律的适用条件
(1)只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律 (2)对于渗透系数很小的粘土，存在起始水力坡降 (3)对渗透系数很大的砾，存在一个临界水力坡降，故 达西渗透定律的适用界限可以考虑为
二、达西渗透定律的适用条件