3第三章-土的渗透性及渗流

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： 1. 渗流产生渗透力，渗透力作用下，使地基失去稳定，使工程失效 2. 渗透逐渐带走细土粒，从而形成较大水流，上游水渗漏，影响工程效 益 地下水运动类型 层流和紊流 层流——地下水在土体孔隙或微裂隙中渗透，流线互不相交 紊流——地下水在土体裂隙或洞穴中流动，流线互相交错
防治原则：
（1）减低水力梯度：打板桩等 （2）减小颗粒流失：敷设反滤层等
三 土的渗透性——渗透力
例题分析 【渗流例出】口某处土经坝计地算基水土力的坡比降重id为s=02..26，8，若孔取隙安比全e系=0数.82F，s为下2.游5，
试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏
【解答】 临界水力坡降
— 流体密度，ML3
v — 平均流速，LT 1 d — 特征孔隙尺寸，L s — 长度，L
k
Cs
w
d2
Cs — 孔隙形状系数
p — 长度s内的总水压力损失，ML1T 2
三 土的渗透性——Darcy定律
Hange-Poiseuille 毛管模型 模拟为层流状态毛管(直径为R)
k
Cs
w
R2
Cs — 模拟形状系数地下水在土孔隙中渗流时，流体对土骨架产生的压力 ——与土骨架对流体的阻力大小相等，方向相反
三 土的渗透性——渗透力
当水在孔隙中渗流时，任取一土柱体为隔离体。土柱横截面积A，长度 L，则作用在土柱内水体上的力有：
（1）A点静水压力wh1A，与渗流方向一致 （2）B点静水压力wh2A，与渗流方向相反 （3）水柱体重量在渗流方向上的分力wLAcosa （4）土骨架对渗流水的阻力TLA，其值与渗透力的大小相等，方向相反
三 土的渗透性——渗透系数
3 渗透系数
渗透系数变化范围
土类 卵石、碎石、砾石
砂 粉土 粉质粘土 粘土
渗透系数（cm/s） > 1×10-1
1×10-1 ~ 10-3 1×10-3 ~ 10-4 1×10-5 ~ 10-6
1×10-7
几种黏土液限渗透系数
土类
液限WL(%)
液限孔隙率eL 渗透性(10-7cm/s)
三 土的渗透性
上一节课加深印象复习题
1.土的粒度是指：
（A）土颗粒的大小（B）土颗粒大小的级 配（C）土颗粒性质
2.土颗粒的大小及其级配，通常是用颗粒 累计级配曲线来表示的。级配曲线越平 缓表示：
（A）土粒大小不均匀，级配不良
（B）土粒大小均匀，级配良好
（C）土粒大小不均匀，级配良好
3土的颗粒级配，也可用不均匀系数来表示，不 均匀系数 是用小于某粒径的土颗粒质量累 计百分数的两个限定粒径之比来表示的，即：
膨润土
330
9.240
1.28
膨润土 + 砂
215
5.910
2.65
天然海相沉积土
106
2.798
2.56
风干海相沉积土
84
2.234
2.42
烘干海相沉积土
60
1.644
2.63
褐色土
62
1.674
2.83
三 土的渗透性——渗透系数
渗透系数测定方法
——实验室渗透试验 ——现场渗透试验 ——经验公式估算
i= icr：土粒处于临界状态
三 土的渗透性——渗透力
流砂 一般地，当渗流水自下而上时：粉细砂、粉土容易发生流砂现象， 而粗颗粒的碎石、卵砾石及细颗粒的粘土不易发生流砂现象 防治原则： （1）减小水头：如井点降水、水下掘进 （2）加大渗透路径：板桩等增加绕流 （3）平衡渗透力：出口处覆重 （4）减小渗透性：加固，注浆、冻结等
Re
vd
三 土的渗透性——Darcy定律
致密粘性土 几种情况 ——情况(1) 土中渗流存在起始水力梯度i0 当水力梯度小于i0时，无渗流 当水力梯度大于i0时，渗流v~i成线性关系 ——情况(2) 土中渗流存在起始水力梯度i0; 当水力梯度小于i0时，无渗流 i >i0时，渗流v~i成非线性关系 i>il时，渗流v~i成线性关系
重度、孔隙比、孔隙率和饱和度，其中哪些为 直接试验指标：
（A）含水率、孔隙比、饱和度 （B）重度、含水率、孔隙比 （C）土粒比重、含水率、重度
7 所谓土的含水量是指： （A）水的质量与土体总质量比 （B）水的体积与孔隙的体积比 （C）水的质量与土体中固体部分质量比
三 土的渗透性——基本概念 1 基本概念
三 土的渗透性——Darcy定律
水的粘滞性变化的影响
kT
kS
T S
k
、
S
S
—
标准温度下的渗透系数和水的粘滞系数，一般取10C为标准
kT、T — 水温为T C时的渗透系数和水的粘滞系数
几种流动规律的统一表达
土中水的渗流与电渗、热渗、盐渗等相似，数学表达式相同
J F
J — 渗流量 ——广义流 F —渗流梯度——广义力
adh k h Adt L
积分得渗透系数
k aL ln h1 At h2
三 土的渗透性——渗透系数
——常水头法：适用于粗粒土
在实验过程中，土样断面积A，长度L，t时刻内通过的渗流量为Q，则
于是，渗透系数
Q k iAt k h At L
k QL
hAt
Q
三 土的渗透性——渗透系数
2) 现场渗透试验 土的自然变异性——实验室结果与现场差异大 ——抽水试验：土中细粒土潜蚀，测定的kp偏高 ——注水试验：土中孔隙堵塞，测定的ki偏低
一般认为，地下水在土中的渗透属于“层流”，遵循Darcy渗透定律
三 土的渗透性——Darcy定律
2 Darcy定律
1885，均质砂试验： 流经试样流量：Q 砂土试样长度：L 砂土试样断面：A 两端水位差：h1-h2 得：
Q k A h1 h2 L
三 土的渗透性——Darcy定律
可写成 q = - k • i •A v=-k•i
三 土的渗透性——渗透系数
2) 现场渗透试验
假定：土体中任一半径处的 水力梯度为常数，则：
q Q kiA k dh 2 rh
t
dr
dr 2 k hdh
rq
ln r2 k r1 q
h22 h12
k
q
ln r2
h22
r1
h12
三 土的渗透性
几个问题的思考 假想渗流速度问题 平均水力梯度问题 不均匀流体渗流问题 可压缩流体渗流问题 多相流问题 非饱和土的渗流问题
三 土的渗透性——渗透力
根据力的平衡条件
wh1A wLAcos wh2 A TLA 0 cos (z1 z2 ) / L
h1 H1 z1； h2 H2 z2
T w(H1 H2 ) / L
i (H1 H2 ) / L
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
wh1A wLAcos wh2 A TLA 0 cos (z1 z2 ) / L
h1 H1 z1； h2 H2 z2
T w(H1 H2 ) / L
i (H1 H2 ) / L
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
管涌 由于渗透力的作用，渗流水会将土中细小土粒带走，土中孔隙逐渐增 大，渗流水压力逐渐增强，粗颗粒也随之被带走，从而形成管状的渗 流通道，掏空地基土体，使工程失效，形成“管涌”。 管涌与时间相关，是一渐进的破坏过程 如 1998年夏季，长江洪峰居高不下，长江大坝形成多处管涌
icr
ds 1 1 e
2.68 1 1 0.82
0.92
允许水力坡降 [i] icr 0.92 0.37
Fs 2.5
由于实际水力坡降i <[i]，故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏
【补充】土的压实原理
压实方法：碾压、夯实和振动。
( A)Cu d60 / d10 (B)Cu d50 / d10 (C)Cu d65 / d15
4.作为填方工程的土料，压实效果与不均匀系数 的关系：
（A） Cu 大好 实效果无关
（B） Cu 小好（C） Cu 与压
5 土的不均匀系数 Cu 越大，表示土的级配： （A）土粒大小不均匀，级配不良 （B）土粒大小均匀，级配良好 （C）土粒大小不均匀，级配良好 6土的三相比例指标包括：土粒比重、含水率、
三 土的渗透性——Darcy定律
——情况(3)
土中渗流不存在起始水力梯度，i0=0 i<il时，v~i成非线性关系 i >il时，v~i线性关系
——情况(4)
v~I 不存在线性关系 存在起始i0 不存在起始i0
三 土的渗透性——Darcy定律
偏离Darcy定律的机制 颗粒表面吸附水性质——致密粘土 土孔隙结构与几何形状——砾石土 共轭流(电渗、热渗、盐渗等) 实验误差
三 土的渗透性——渗透系数
1) 实验室渗透试验：
——变水头法：适用于细粒土
土样两端水头差是变化的
t1时刻——h1；t2时刻——h2
在dt=t2-t1内，量管中的水量变化
dQ=a(h2-h1)=-adh；a—量管断面积
经过土样的渗流量
dQ k h Adt L
A、L—土样断面和长度；h—水头高度；k—渗透系数
单位时间的渗流量或渗流速度与水力梯度呈线性关系 比例系数k——渗透系数：土的重要指标 负号含义——渗流方向与水中势能增加的方向相反 物理意义——表达了均匀不可压缩流体的单向渗流规律