第三章_土的渗透性
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第3章 土的渗透性和渗透变形
第三节
渗透力和渗透变形
二、渗透变形 （一）渗透变形的形式
土在渗透力的作用下，而发生变形或破坏的现象称为 渗透变形（或渗透破坏），渗透变形包括两种基本形式。 （1）流土 流土是指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。 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，而不发生于土体 内部。如图3-14发生在堤坝下游渗流逸出处。
第三章 土的渗透性和渗透变形
内容提要：本章介绍土的渗透规律、渗透力和 渗透变形规律
第一节
概
述
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。土具有被水体 透过的性质称为土的渗透性。本章主要研究饱和土的渗透 性以及由渗流引起的渗透变形问题。 作为土木、水利工程对象的地基或土工建筑物内一般 都存在着各种形态的水分，而土本身又具有渗透性，所以 会产生各种各样的工程问题： （1）水的问题 指在工程中由于水本身所引起的工程 问题。如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在的排水问题 土坝中的渗透水量损失问题等。
L ----渗径长度；
A----试样截面积； h ----试验时水头差。
第二节
土的渗透规律
2、变水头试验法----适用于粉土和粘土 变水头法是在整个试验过程中，水头是随时间变化 的，其实验装置如图3-5（P71）。 设细玻璃管的内截面积为 a 。经时段 dt ，细玻璃管中 水位下降 dh ，则在时段内流经试样的流量为：
' '
孔隙水应力和有效应力的分布如图3-22（b）。
第四节 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
（2）向上渗流情况 图3-24表示水向上的情况。在a-a断面的总应力为： h1 sat h2 孔隙水压力为： u h h1 h2 h 则有效应力为：
第三章 土的渗透性及渗流讲解
• (5)．土的温度： 温度高, 粘滞阻力小。
• (6)．土的构造： 层理的方向性, 夹层的影响。
• §3 . 3 土中二维渗流及流网
• 3 . 3 . 1 二维渗流方向
• 稳定渗流：渗流场中水头及流速等要素 随时间改变的渗流。
• 3 . 3 . 2 流网的特征与绘制
• 1. 流网的特征
• 流网：由流线和等势线所组成的曲线正交网格。
形甚至渗透破坏； • 渗流控制问题:采用工程措施，使渗流量或渗透变形满足设计
要求。
•
§3 . 2 土的渗透性
3 . 2 . 1 渗流基本概念
(1)．水头：
2
h
p z
(伯努利定理)，土中水渗透速度太小,可
忽略，故有 2g vw
h p z
(2)． 水头差：
h h h ( p A) ( p )
(3)．水力坡度： i h l
3 . 2 . 2 土的层流渗透定律
1．基本概念
（1）流线：水质点的运动切线的连线称为流线；
（2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流；
（3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊 流。
一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程 中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。
h Nd
i (b 1) h b L Nd L
若
b L 1则高渗透量,为
Nf ( h )i Nf
2 Nf
Nd
其中：Nf 为流槽数。Nd为等势线数减1。
• §3 . 4 渗透破坏与控制
(1). 渗透力的作用,土颗粒流失或局部土体位移而产生破坏.如,流 砂和管涌。
土力学-第3章土的渗透性及渗流
第三章
土的渗透性及渗流
§3 土的渗透性及渗流
本章特点
• 有较严格的理论（水流的一般规律） • 有经验性规律（散粒体多孔介质特性）
学习要点
• 注重对物理概念和意义的深入理解 • 注意土是散粒体（多孔介质）这一特点
主要难点
• 水头及水力坡降 • 二维流网及其应用 • 渗透力及其分析方法
2
§3 土的渗透性及渗流
§3.2土的渗透性
➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
24
§3 土的渗透性及渗流
§3.2土的渗透性
渗流速度
断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
§3.2土的渗透性
水在土的孔隙中流动，其形式可以分为： 层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。 紊流：紊流与层流的意义相反。
渗流模型基本假定：
图3-1 渗流模型
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；
➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
23
§3 土的渗透性及渗流
土中通常含有水，土中含水量的变化及 土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时 这种影响可能会带来灾难。
水对土特性影响的直观理解为：土的含水量 小时，土比较硬；土中适当含水可使散粒土颗 粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但 当土的含水量过大时则会变软。 当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、 基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受 淹等灾害。
代表单位重量的液体从基准面算起
uB w
u0pa
土的渗透性及渗流
§3 土的渗透性及渗流
本章特点
• 有较严格的理论（水流的一般规律） • 有经验性规律（散粒体多孔介质特性）
学习要点
• 注重对物理概念和意义的深入理解 • 注意土是散粒体（多孔介质）这一特点
主要难点
• 水头及水力坡降 • 二维流网及其应用 • 渗透力及其分析方法
2
§3 土的渗透性及渗流
§3.2土的渗透性
➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
24
§3 土的渗透性及渗流
§3.2土的渗透性
渗流速度
断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
§3.2土的渗透性
水在土的孔隙中流动，其形式可以分为： 层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。 紊流：紊流与层流的意义相反。
渗流模型基本假定：
图3-1 渗流模型
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；
➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
23
§3 土的渗透性及渗流
土中通常含有水，土中含水量的变化及 土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时 这种影响可能会带来灾难。
水对土特性影响的直观理解为：土的含水量 小时，土比较硬；土中适当含水可使散粒土颗 粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但 当土的含水量过大时则会变软。 当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、 基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受 淹等灾害。
代表单位重量的液体从基准面算起
uB w
u0pa
土力学第三章土的渗透性
有效应力原理
• 有效应力原理： 指土体在外荷载作用下， 孔隙水压力和有效应力之和始终等于总应力。 孔隙水压力增加，必然引起有效应力减小； 孔隙水压力减小，必然引起有效应力增大， 增加的量和减小的量相等。
u
计算简图
• 分析a-a、b-b水平面上的总应力、孔隙水应力和有 效应力 • 渗流方向： 1）不发生渗流 h=0 h 2）从上往下 h<0 3）从下往上 h>0 h
砂土的达西定律
• 砂土的达西定律： 当水流处于层流状态时， 砂土的渗透速度与水力坡降成正比。
• 砂土的渗透性： 砂土颗粒较粗，颗粒之间不存在连接力， 只要存在水力坡降，水在砂土中就会发生流动。 • 渗透系数： 指水力坡降等于1时的渗透速度。 反映土体渗透性的大小。
h v ki k L
粘性土的达西定律
• 试验方法： 常水头试验、变水头试验 • 常水头试验： 在试验过程中水头始终保持不变，适用于粗粒土。 测定在一定时间内流出的水量计算渗透系数。 • 变水头试验： 在试验过程中水头不断变化，适用于细粒土。 测定水头下降一定高度所需要的时间计算渗透系数。
ห้องสมุดไป่ตู้
QL k Aht
h1 aL k 2.3 log A(t 2 t1 ) h2
稳定渗流条件下的有效应力原理-1
• 渗流从上到下： • 在a-a平面上： 孔隙水应力u=h1 则总应力=+u=h1 • 在b-b平面上： 总应力=h1+sath2 • 与静水条件下比较： 总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h， 孔隙水应力u=h1+h2-h 有效应力=0
则有效应力=-u=h2+h
而有效应力增加h。
稳定渗流条件下的有效应力原理-2
3第三章-土的渗透性
达西渗透定律的适用条件
Darcy定律只适用于层流条件，一般中砂、细砂、 粉砂等细粒土中水的流速满足层流条件，而粗砂、 砾石、卵石等粗颗粒土中水流速较大，是紊流而 不是层流，故不适用达西定律。
在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因 受到分子引力作用而呈现粘滞性，粘土中自由水 的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大阻力，只 有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。故粘 土中的渗透规律必须将达西定律进行修正。
3第三章-土的渗透性
主要内容
概 述 达西渗透定律 渗透系数的测定 成层土的渗透系数 影响土渗透性的因素 渗透作用对土的影响
第1节 概述
渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在 水位差的作用时，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。 土的渗透性问题是指由于水的渗透引起土体内部
三、土的结构构造：土的成层构造使土的各向渗透
性不同。
四、水的粘滞度：动力粘滞系数随水温发生明显的变
化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则 愈大。
五、土中气体：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。
第6节 渗透作用对土的影响
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。
h h
h hq KvF
n
hi
K v
i1
n hi
K i 1 i
第五节 影响土的渗透性的因素
一、土的粒度成分及矿物成分：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。
土力学_第3章(土的渗透性和渗流问题)
土中的水沿着流线 方向每前进Δs的距 离，就要有- Δh的 水头损失。
h A hB h i L L
h
uB
总水头线
w
uA
hA zA
w
hB
L
zB
（2）Darcy定律
（法国工程师，1856年提出）
水头梯度
渗透速度
v k i
渗透流量
Q k i A
渗透系数，单位：cm/s
Q v A
1
(Gs 1) icr 1 e
h 2 a
临界坡降取决于土的物理性质
②管涌的临界坡降
通过经验和实验总结得出管涌的临界坡降：
icr
d k n3
其中，d－为被冲动的细颗粒粒径，一般小于d5－d3，单位 cm； n－为砂砾料的孔隙率； k－为砂砾料的渗透系数，单位 cm/s。
六、流网及工程中的渗流场计算
常水头试验示意图
h Q qt kiAt k At L
故，渗透系数为：
k
QL hAt
②变水头渗透试验
土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0
经过时间t后降为h1
时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ adh
另外： 变水头渗透试验示意图
Kx 1 (k1 H1 k 2 H 2 k3 H 3 ) H
A
•y方向的平均渗透系数Ky （电阻串联）
* 每层土的水头损失之和等于总的水头损失
qy q1 q2 q3
Ky H H1 H 2 H 3 k1 k2 k3
水平方向由最大的 一层渗透系数决定， 垂直方向由最小的 一层渗透系数决定。
h A hB h i L L
h
uB
总水头线
w
uA
hA zA
w
hB
L
zB
（2）Darcy定律
（法国工程师，1856年提出）
水头梯度
渗透速度
v k i
渗透流量
Q k i A
渗透系数，单位：cm/s
Q v A
1
(Gs 1) icr 1 e
h 2 a
临界坡降取决于土的物理性质
②管涌的临界坡降
通过经验和实验总结得出管涌的临界坡降：
icr
d k n3
其中，d－为被冲动的细颗粒粒径，一般小于d5－d3，单位 cm； n－为砂砾料的孔隙率； k－为砂砾料的渗透系数，单位 cm/s。
六、流网及工程中的渗流场计算
常水头试验示意图
h Q qt kiAt k At L
故，渗透系数为：
k
QL hAt
②变水头渗透试验
土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0
经过时间t后降为h1
时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ adh
另外： 变水头渗透试验示意图
Kx 1 (k1 H1 k 2 H 2 k3 H 3 ) H
A
•y方向的平均渗透系数Ky （电阻串联）
* 每层土的水头损失之和等于总的水头损失
qy q1 q2 q3
Ky H H1 H 2 H 3 k1 k2 k3
水平方向由最大的 一层渗透系数决定， 垂直方向由最小的 一层渗透系数决定。
第3章：土的渗透性及渗流
• 基本概念
渗透---土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透 渗透---土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。 土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。 渗透性---土体具有被水透过的性质称为渗透性 土体具有被水透过的性质称为渗透性； 渗透性---土体具有被水透过的性质称为渗透性； 渗流---水在土孔隙中的流动问题称为渗流 水在土孔隙中的流动问题称为渗流。 渗流---水在土孔隙中的流动问题称为渗流。 渗透与渗流的基本问题： 渗透与渗流的基本问题： （1）渗流量问题 （2）渗透破坏问题 （3）渗流控制问题
适用：中砂、细砂、粉砂等，粗砂、砾石、卵石等粗颗粒不适用
• 公式应用的假定
• 按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速 ， 它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。 它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。实际 上 ，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速 要大得多， 要大得多，如均质砂土的孔隙率为 n，则他们之间的关系 为
3.3 渗透破坏与控制 水在土中渗透时,由于水具有一定的流速, 水在土中渗透时,由于水具有一定的流速, 必然受到土颗粒的阻力作用。 必然受到土颗粒的阻力作用。根据作用力 与反作用力的原理, 与反作用力的原理,水流必然也对土颗粒 有一个大小相等，方向相反的作用力。 有一个大小相等，方向相反的作用力。 • 渗透力---渗流作用在单位体积土体中土颗 渗透力---渗流作用在单位体积土体中土颗 粒上的作用 作用力 粒上的作用力(kN/m3)，作用方向与水流 方向一致。 方向一致。
• 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 宏观上具有非均质性。 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
土力学-第三章土的渗透性及渗流
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.4.2 流砂或流土现象
土力学
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
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
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 r2
Q
r r1
r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，i=dh/则dr
q=kAi=2πrhkdh/dr
dr
qdr/r=2πkhdh
d
分离变量积分
h
h h1
k3
q3y H3
总水头损失等于各层水头损失之和 Hi H1i1 H 2i2 H ni n
代入
垂直渗 透系数
ky
1 H
(i1H1
i2H2
inHn )
k1i1
k2i2
knin
整个土层与层面垂 直的平均渗透系数
k y
H1
H H2
Hn
H n ( Hi )
k1 k2
kn
k i1 iy
天津城市建设学院土木系岩土教研室
土力学
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 （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。
时间t内流出的水量 Q qt kiAt k h At L
第三章土的渗透性总结
kjH j
层状地基的水平等效渗透系数
34
已知条件: v j = v
Δh = ∑ Δhj H = ∑ H j
达西定律: vj = kj (Δhj / Hj )
v = kz (Δh / H )
等效条件:
Δhj
=
vHj kj
Δh
=
vH kz
∑ ∑ vH
kz
=
Δ
=
= vHj kj
∆h
d=1.0
z
v k1 H1
层状地基的等效渗透系数
33
已知条件:
ij
=
i
=
Δh L
H =∑Hj
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqjx=Σkj ij Hj
∑ 等效条件: qx = q jx
∆h
x
1
d=1.0
2
q1x k1 H1 q2x k2 H2 q3x k3 H3
kx H
1
L
2
等效渗透系数:
∑ k x
=
1 H
渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想
渗流速度 v < vs =v n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
适用条件
层流（线性流）
v
——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及
砂性较重的粘性土
vcr
两种特例 粗粒土：
o
砾土
①砾石类土中的渗流不符合达西定律
v = kim (m < 1)
i
②砂土中渗透速度
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
水头与水力坡降 土的渗透试验与
土力学-第三章土的渗透性及渗流
aL
At2
t1 lg
h1 h2
－adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
k＝
aL
At2
t1 ln
h1 h2
天津城市建设学院土木系岩土教研系数
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
第3章 土的渗透性及渗流
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网（了解） 3.4 渗透破坏与控制
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
第3章 土的渗透性及渗流
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网（了解） 3.4 渗透破坏与控制
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
渗流作用于单位土体的力
j
J AL
whA
AL
i
w
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
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.4.2 流砂或流土现象
土力学
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
（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。
（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
（5）水的温度
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。
h v2 p z
土力学课件第三章土的渗透性
第三章 土的渗透性
【例题3－3】如图所示，若地基上的土粒 比重Gs为2.68，孔隙率n为38.0％， 试求：
（1）a点的孔隙水应力和有效应力； （2）渗流逸出处1－2是否会发生流土？ （3）图中网格9，10，11，12上的渗流
力是多少？
【解】 （1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N＝10，则相
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。
第三章 土的渗透性
向上渗流的情况： a-a平面上的总应力
a-a平面上的孔隙水应力
a-a平面上的有效应力为 u h2 wh
第三章 土的渗透性
三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力
图3－23(a)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，面a-a 平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为
第三章 土的渗透性
a-a平面上的总应力仍保持不变，等于
Ww wVw wVs wV wab
（2） U1 w (h1 h2 )b
（3）
U w wh0a
（4）土粒对水流的总阻力Fs
渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流 向）方向一致，是一种体积力。
第三章 土的渗透性
沿水流方向力的平衡
U1 Ww sin Fs 0
形的能力就强。
如果透水性弱，抵抗渗透变
防止渗透变形发生的措施： （1）减小水力梯度；
压重、反滤层、减压井
（2）加盖
第三章 土的渗透性
2 2
q y
qy y
dx
y
qx
qx
qx dy x
qy
x
3-4
二向渗流和流网的特征
2h 2h 2 0 2 x y
满足拉普拉斯方程的是两组彼此正交的曲线
二、流网及其特征
就渗流问题，一组曲线
称为等势线，在任一条 等势线上各点的总水头 是相等的；另一组曲线 为流线，代表渗流的方
第三章
土的渗透性
3-1
三相系 多孔介质
概
述
孔隙流体流动
孔隙流体 能量差
渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。 土的渗透性：土具有被水透过的性能。
3-1
概
述
土石坝坝基坝身渗流
浸润线
渗流量 渗透变形
透水层
不透水层
3-1
概
述
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
3-1
渠道渗流
3-3
渗透系数的测定
三、成层土的渗透系数
（一）渗流与层面平行
qx q1x q2 x qnx qix
i 1 n
qx kxiH
qxi kixii Hi
k xiH kixii H i
i 1
n
kx
1 H
k H
i 1 i
n
i
通过整个土层的总渗流量为各土层渗流量之和
3-3
渗透系数的测定
5.土中气体的影响 当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞水的渗流，从而降 低了的渗透性。这种密闭气泡有时是由溶解于水中的气 体分离而形成的，故水的含水量也影响土的渗透系数。
q y
qy y
dx
y
qx
qx
qx dy x
qy
x
3-4
二向渗流和流网的特征
2h 2h 2 0 2 x y
满足拉普拉斯方程的是两组彼此正交的曲线
二、流网及其特征
就渗流问题，一组曲线
称为等势线，在任一条 等势线上各点的总水头 是相等的；另一组曲线 为流线，代表渗流的方
第三章
土的渗透性
3-1
三相系 多孔介质
概
述
孔隙流体流动
孔隙流体 能量差
渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。 土的渗透性：土具有被水透过的性能。
3-1
概
述
土石坝坝基坝身渗流
浸润线
渗流量 渗透变形
透水层
不透水层
3-1
概
述
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
3-1
渠道渗流
3-3
渗透系数的测定
三、成层土的渗透系数
（一）渗流与层面平行
qx q1x q2 x qnx qix
i 1 n
qx kxiH
qxi kixii Hi
k xiH kixii H i
i 1
n
kx
1 H
k H
i 1 i
n
i
通过整个土层的总渗流量为各土层渗流量之和
3-3
渗透系数的测定
5.土中气体的影响 当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞水的渗流，从而降 低了的渗透性。这种密闭气泡有时是由溶解于水中的气 体分离而形成的，故水的含水量也影响土的渗透系数。
3第三章-土的渗透性及渗流
粗颗粒土一般在完全干燥和洒水饱和状态下最容易密 实。主要因为在潮湿状态下，土中的水为毛细水，毛 细水压增加了粒间阻力。
பைடு நூலகம்
土的击实试验
在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有 轻型和重型两种。
护筒
导筒 击实筒
轻型击实试验适用于粒径小于 击锤 5mm的土，击实筒容积为947cm3， 击锤质量为2.5kg。把制备成一定 含水量的土料分三层装入击实筒， 每层土料用击锤均匀锤击25下， 击锤落高为30.5cm
渗透力
J T wi
负号：渗透力方向与土骨架对水流阻力方向相反
三 土的渗透性——渗透力
根据力的平衡条件
wh1 A w LA cos wh2 A TLA 0
cos ( z1 z2 ) / L h1 H1 z1； h 2 H2 z 2
三 土的渗透性——渗透力 渗流过程
若水自上而下渗流：渗透力方向与土粒所受重力方向相同 ——将增加土粒之间的压力 若水自下而上渗流：渗透力方向与土粒所受重力方向相反 ——将减小土粒之间的压力 此时，若渗透力大小等于土的浮重度时，则土粒之间压力为零，理论上 土粒处于悬浮状态，将随水流一起流动，形成流砂现象
三 土的渗透性
三 土的渗透性——基本概念
1 基本概念
土：具有连续孔隙介质，水在重力作用下可以穿过土中孔隙而流动 渗透或渗流——在水头差作用下，水透过土孔隙流动的现象
渗透性——土体可被水透过的性能
土坝、水闸等挡水后，上游水将通过坝体或地基渗到下游——发生渗透
三 土的渗透性——基本概念
渗透引起两个方面问题：
i＞icr：土粒处于流砂状态
i= icr：土粒处于临界状态
土力学 第3章 土的渗透性与渗流
（课本第42-43页）
假如： 总应力为σ，截面面积为A
有效应力为σs 土颗粒接触面积之和为As 孔隙水压力为uw 孔隙水截面面积之和为Aw 孔隙气压力为ua 气体截面面积之和为Aa
则：
u ' u ' u 'u u ' u
a
a
A s As uw Aw ua Aa
总 固 液 气
（课本第41页） 基坑降水和预防流砂发生的措施
1、井点降水：在基坑 周边打抽水井，把地 下水位降低到基坑下 0.5～1.0m。
注意：抽水泵不能停 电，否则水位恢复， 基坑浸水、地下室浮 起。
基坑
透水层 不透水层
基坑降水井点计算将在《基础工程》中学习
（课本第41页） 基坑降水和预防流砂发生的措施
h 渗透速度：v k L ki
或
渗流量为： q vA kiA
q——单位渗流量，cm3/s； v——渗透速度，cm/s； k——渗透系数，cm/s； i——水头梯度（△h/L） ； A——过水面积，cm2。 v——渗透速度是假想的平均渗流速度，不是地下水的实际流速，是土体 断面包括了土颗粒所占的面积的平均渗透速度，但水仅仅通过土体中的 孔隙流动。
2、设置地下连续墙或 钢板桩：在基坑周边 施工地下连续墙或打 钢板桩，隔断地下水，
基坑
同时在基坑内设置集 中井，把地下水位降 低到基坑下0.5～1.0m。
不透水层
透水层
流砂导致工程破坏示例 （课本第41-42页）
(a)基坑因流砂破坏；(b)河堤外覆盖层流砂涌出；(c)流 砂涌向基坑引起房屋不均匀沉降
渗流：指土中水在重力作用下穿过土中孔隙流动的现象。
渗透性：指土具有被水透过的性质。 引起工程 问题 渗漏问题——水库大坝、河流堤岸等水量损 失，甚至造成溃坝、决堤。 渗透稳定问题——引起土体应力、强度、变形 等变化，出现流砂、管涌问题， 造成滑坡、基坑或挡土墙失稳。
土力学_第3章(土渗透性和渗流问题)
抽水试验 注水试验
k<10-3cm/s 的粉土和 粘土
①常水头渗透试验
▪ 截面积为A，流径L；
▪ 压力水头维持不变；
常水头试验示意图
▪ 试验开始时，水自上而下流经土样；
▪ 待渗流稳走后，测得水量Q； ▪ 同时读得a、b两点水头差h。
则得：
Q qt kiAt k h At L
故，渗透系数为：
k QL hAt
水平方向由最大的
Ky
H1
H2
H H3
k1 k2 k3
一层渗透系数决定， 垂直方向由最小的 一层渗透系数决定。
四、渗流作用下土的应力状态
（摘自：土力学—冯国栋，p39）
（1）静水条件下土的有效应力与中性应力
W ( wH sath) A
a点的总应力 w H sat h
a点的静水压强 u w (H h)
③现场抽水（注水）试验
k
Q (h22
h12 )
ln
r2 r1
（摘自：清华—土力学，p44）
k nv' L
h
（？）
④利用渗透系数判断土层的透水性
（a）强透水层：K > 10-3cm/s （b）中等透水层： K ＝ 10-3 ～ 10-5 cm/s （c）弱透水层（相对不透水层）： K < 10-6cm/s
k>10-3cm/s 的砂土
②变水头渗透试验
▪ 土样的截面积A，高度为L
▪ 储水管截面积为a
▪ 试验开始储水管水头为h0 ▪ 经过时间t后降为h1 ▪ 时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ adh
另外：
dQ kiAdt k (h / L) Adt
变水头渗透试验示意图
第三章岩土体的渗透性
基准面
i= Δh L
h2 0
zB
u 总水头： h = z + γw
A点总水头：
水力坡降： B点总水头：
uA h1 = z A + γw
h2 = zB +
uB γw
h1 = h 2 + Δ h
§3.2 岩土体的渗透性
一、土体的渗透性
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
Q
v = ki m (m < 1)
i
v
o i0
i
§3.2 岩土体的渗透性
渗透系数的测定方法
• 常水头试验法 室内试验方法 • 变水头试验法 • 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
野外试验方法
§3.2 岩土体的渗透性
室内试验方法-常水头试验法
试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积V，t V=Qt=vAt v=ki i=Δh/L
§3.2 岩土体的渗透性
层状地基的水平等效渗透系数
Δh 已知条件: ii = i = L
1 q1x q2x q3x 1 z kx k1 k2 k3
H=
∑H
2
Δh x H1 H2 H H3
i
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqix=Σki ii Hi 等效条件:
qx =
∑
q ix
2
不透水层
等效渗透系数:
h1
Δh Q∝A L
或：
L
A
透水石
Q = kAi
Q
其中，A是试样的断面积 达西渗透试验 §3.2 岩土体的渗透性
h2
达西定律
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数
i= Δh L
h2 0
zB
u 总水头： h = z + γw
A点总水头：
水力坡降： B点总水头：
uA h1 = z A + γw
h2 = zB +
uB γw
h1 = h 2 + Δ h
§3.2 岩土体的渗透性
一、土体的渗透性
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
Q
v = ki m (m < 1)
i
v
o i0
i
§3.2 岩土体的渗透性
渗透系数的测定方法
• 常水头试验法 室内试验方法 • 变水头试验法 • 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
野外试验方法
§3.2 岩土体的渗透性
室内试验方法-常水头试验法
试验条件: Δh，A，L=const 量测变量: 体积V，t V=Qt=vAt v=ki i=Δh/L
§3.2 岩土体的渗透性
层状地基的水平等效渗透系数
Δh 已知条件: ii = i = L
1 q1x q2x q3x 1 z kx k1 k2 k3
H=
∑H
2
Δh x H1 H2 H H3
i
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqix=Σki ii Hi 等效条件:
qx =
∑
q ix
2
不透水层
等效渗透系数:
h1
Δh Q∝A L
或：
L
A
透水石
Q = kAi
Q
其中，A是试样的断面积 达西渗透试验 §3.2 岩土体的渗透性
h2
达西定律
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数
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h ky ki ii H
化学工业出版社
结论
对于成层土，如果各土层的厚度大致相近， 而渗透性相差悬殊时
与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性
与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性
化学工业出版社
渗流力及渗透稳定
逸出处单位土体
9.8
Gs 1 w
1 e
9.8 w Gs 11 n
j wi
icr Gs 11 n
临界水力梯度
化学工业出版社
流土型土的临界水力梯度
icr Gs 11 n
二、Darcy渗透定律
由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的 粘滞阻力很大，流速缓慢 层流
水在土中的渗透速度和 试样两端水面间的水位 差成正比，而与渗径长 度成反比
h v k hi L
q vA kiA
化学工业出版社
Darcy渗透定律
化学工业出版社
流速与水力梯度的关系——砾土
在粗粒土中（砾、卵 石等），只有在小的 水力梯度下，渗透速 度与水力梯度才呈非 线性关系，而在较大 的水力梯度下，水在 土中流动进入紊流状 态，渗透速度与水力 梯度呈非线性关系， 此时达西定律同样不 能适用
化学工业出版社
v q i 头
渗透速度（cm/s或m/s） 渗流量（cm3/s后m3/s） 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水 损失，无因此 试样两端的水位差，即水头损失 渗径长度 渗透系数（cm/s或m/s,m/d） 试样截面积（cm2或者m2）
h L k A
化学工业出版社
无粘性土
与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关
过渡型土
与密度有关，大密度流土，小密度管涌
化学工业出版社
土的临界水力梯度
抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常 以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称 为临界水力梯度或抗渗梯度。
化学工业出版社
流土型土的临界水力梯度
U1 Ww sin Fs 0
h h2 h1 sin a
渗流力的概念
1点，渗流力与重 力方向一致，渗 流力促使土体压 密，对稳定有利 2点，3点，渗流 力与重力方向正 交，对稳定不利 3点，渗流力与重 力方向相反，对 稳定特别不利
化学工业出版社
化学工业出版社
土的问题
土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态 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地稳定性或产生有害变 形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于 水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、 堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内 的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分 的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗 透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面 化学工业出版社 下沉问题。
流速与水力梯度的关系——砂土
砂土的水力梯度 与渗透速度呈线 性关系，符合达 西渗透定律。
化学工业出版社
流速与水力梯度的关系——粘土
对于密实的粘土，由于 吸着水具有较大的粘滞 阻力，因此，只有当水 力梯度达到某一数值后， 克服了吸着水的粘滞阻 力以后，才能发生渗透。 我们将这一开始发生渗 透时的水力梯度成为粘 性土的起始水力梯度
渗透变形的形式
按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变 形可分为流土和管涌两种基本形式 流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起， 或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发 生在地基或土坝下游渗流逸出处。 基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土 的一种常见形式
化学工业出版社
化学工业出版社
水的问题
水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题， 比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出 而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土 坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问 题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染， 地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下 水环境的问题。也就是说，说自身的量（涌水量， 渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的 变化所引起的问题。
粘性土，渗透系数小，流经 水量少 变水头法在整个试验过程中， 水头是随着时间而变化的， 试验装置如图，试样的一端 与细玻璃管相接，在试验过 程中测出某一时段内细玻璃 管中水位的变化，就可根据 达西定律求出水的渗透系数。
化学工业出版社
变水头法
设玻璃管的内截面积为 a，试验开始以后任一 时刻t的水位差为h，经 时段dt，细玻璃管中水 位下落dh，则在时段dt 内流经试样的水量
渗流力存在 Uw1 a b Fs c Ww Uw2
d
渗流力的概念
化学工业出版社
渗流力的概念
化学工业出版社
渗流力的概念
Ww wab
U1 w h1 h2 b
U 2 wh0 a
Fs wbh
fs Fs wi ab
化学工业出版社
常水头法
常水头法就是在整个试 验过程中，水头保持不 变，试验装置如图 用量筒和秒表测出某一 时刻t内流经试样的水 量V，即可求出流过土 体的流量，再根据达西 定律求解k
V q t
VL k Aht
化学工业出版社
变水头法
注意
按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的 平均流速 ，它假定水在土中的渗透是通过土 体截面来进行的 。 实际上 ，水在土体中的实际流速要比用达西 定律求出的流速要大得多。，他们之间的关 系为
e v v n v 1 e
化学工业出版社
Darcy渗透定律的适用条件
d Re/ v 0.52
• 对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一 般是适用的，而对于粗粒土来讲，只有在水力坡 化学工业出版社 降很小的情况下才能适用。
三、渗透系数的测定
渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱 的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以 分为现场试验和室内试验两大类。一般，现 场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。 因此，对于重要工程常需进行现场测定。 室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多， 但就其原理来讲，可分为常水头试验和变水 头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性 土，后者适用于透水性弱的粘性土。
太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定 律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺 系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候 才能适用。 根据水的密度ρ，流速v，水的粘滞系数η，土粒粒 子平均粒径d，可以算出雷诺数Re
Re vd
化学工业出版社
Darcy渗透定律的适用条件
流土的临界水力梯度决定于土的 物理性质，当土的比重和孔隙率已知 时，则土的临界水力梯度是一定值， 一般在0.8~1.2之间
根据竖向渗流不考虑周围土体的 约束作用情况下推得的，因此，按此 式求得临界水力梯度偏小，一般比试 验值要小15％～20％
影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比 及水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽 力保持土的原始状态并消除人为因素的影响 化学工业出版社
成层土的渗透系数
天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。 对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况， 当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以 求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透 系数，作为进行渗透计算的依据。
ib
化学工业出版社
流速与水力梯度的关系——粘土
粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力 梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力 梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性 关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地 渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表 示。
v k i i0
从层流转换为紊流时的Re数一般为0.1~7.5的 范围，而一般认为在土的孔隙内水流只要雷 诺数<1.0，达西定律就可以满足。因此达西 定律的适用界限可以考虑为
vd / 1.0
化学工业出版社
Darcy渗透定律的适用条件
如果考虑水的密度ρ＝1.0（g/cm3）水温10℃时水 的粘滞系数η＝0.0131(g/sec· cm)，而一般的流速 可以考虑v＝0.25（cm/sec）可以算出满足达西定律 的土的平均粒径d
流土
化学工业出版社
流土
化学工业出版社
管涌
管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的 孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在 砂砾土中。
化学工业出版社
管涌
管涌的治理
反滤倒渗
管涌的治理
反滤围井
管涌的治理
化学工业出版社
与层面平行的情况
q x qix
i 1 n
qix kiiH i
qx ki iH i
i 1
n
达西定律
qx k x iH
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
与层面垂直的情况
化学工业出版社
与层面垂直的情况
dV adh
h dV k Adt L
化学工业出版社
变水头法
aL dh dt kA h
aL h1 k ln A(t 2 t1 ) h2
化学工业出版社
土的渗透系数参考值
土类 渗透系数k(cm/s) 纯砾 >10-1 纯砾与砾混合物 10-3~10-1 极细砂 10-5~10-3 粉土、砂与粘土 10-7~10-5 混合物 粘土 <10-7 渗透性 高渗透性 中渗透性 低渗透性 极低渗透性 几乎不透水