第三章_土的渗透性

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
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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
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。
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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。
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
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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％
流土
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流土
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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。
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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
达西定律 任一土层流量
H ky n Hi k i 1 i
qy k y
h A H
qiy ki
hi A ki ii A Hi
水流连续原理 qy q1y q2 y qny 整个土层的水头损失
h i1H1 i2 H 2 in H n
第三章
土的渗透性
一、概述

土是具有连续孔 隙的介质。当土 作为建筑物的地 基和直接用作建 筑材料时，水就 会在水位差的作 用下，从水位较 高的一侧透过土 的孔隙流向水位 较低的一侧。
关于防渗墙
防渗墙
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防渗墙射水法施工
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渗透的定义及土的渗透性
水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损 失，影响工程效益；另一方面将引起土体内 部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物 或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事 故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以 及工程施工都有非常重要的影响
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与层面平行的情况
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达西定律
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与层面垂直的情况
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与层面垂直的情况
h ky ki ii H
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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
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渗流力及渗透稳定
渗流力存在 Uw1 a b Fs c Ww Uw2
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渗流力的概念
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渗流力的概念
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渗流力的概念
Ww wab
U1 w h1 h2 b
U 2 wh0 a
Fs wbh
fs Fs wi ab
ib
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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。
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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
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变水头法ຫໍສະໝຸດ Baidu
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。
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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
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
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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。
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

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Darcy渗透定律的适用条件
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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
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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
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Darcy渗透定律

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。
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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

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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。
逸出处单位土体
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9.8 w Gs 11 n
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临界水力梯度
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流土型土的临界水力梯度
icr Gs 11 n


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
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Darcy渗透定律的适用条件
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、流土等
水库塌岸 岸坡、土坝在水位 降落时 引起的滑动
渗流力的概念
水在土中流动
力图拖曳土粒
渗透水流施于单位土体内土 粒上的拖曳力称为渗流力 渗透力、动水压力
能量消耗
水头损失
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渗流力的概念
流土、浮冲、砂沸
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
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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。
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流土型土的临界水力梯度
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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。
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

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蓄水反压
整体破坏－水库塌岸
按渗透变形划分土的类型
在很大的水力梯度下也不会发生管涌
非管涌土
流土型
在不大的水力梯度下就可以发生管涌
管涌土
管涌型
管涌土的划分
发展性管涌土 管涌型土
管涌土
土
非发展性管涌土
过渡型土
非管涌土
流土型土
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土的类型与渗透变形型式
粘性土 只有流土而无管涌
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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）
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变水头法
aL dh dt kA h
aL h1 k ln A(t 2 t1 ) h2
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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