3.土的渗透性与渗流
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土力学课件(3土的渗透性与渗流)详解
管内减少水量＝流经试样水量
－adh=kAh/Ldt 分离变量
积分
k＝2.3
aL
At2
t1 lg
h1 h2
k＝
aL
A t2
t1 ln
h1 h2
3、影响渗透系数的主要因素 (1)土的粒度成分
v 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大
v 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，
(2)土的密实度 土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小 土愈密实渗透系数愈小
(3)土的饱和度 土的饱和度愈低，渗透系数愈小
(4)土的结构 扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小
(5)水的温度(水的动力粘滞系数) 水温愈高，水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大
k20 kT T 20
(6)土的构造
T、20分别为T℃和20℃时水的动 力粘滞系数，可查表
水平方向的h>垂直方向v
n
qx q1x q2x qnx qix i1
达西定律
qx kxiH
平均渗透系数
q1x k1 qx q2x k2
q3x k3
H1 H2 H H3
n
qix k1iH 1 k 2iH 2 k n iH n
i 1
整个土层与层面平行的渗透系数
k x
1 H
n
kiH i
i1
(2)垂直渗透系数
H
隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
渗透
在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象
渗透性
土体具有被液体透过的性质
土的渗流 土的变形 土的强度
相互关联 相互影响
第3章 土的渗透性和渗流
板桩墙
基坑
渗流问题 1.渗流量（降水办法） 2.渗透破坏（流砂）
透水层 不透水层
§3.1 概 述
土坝蓄水后水透
土石坝坝基坝身渗流 过坝身流向下游
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题： 1.渗流量？ 2.渗透破坏？
透水层
3.渗透力？
不透水层
§3.1 概 述 水井渗流
Q 天然水面
透水层
不透水层
渗流问题： 1.渗流量Q？ 2.降水深度？
土愈密实，k值得愈小。试
• 土的密实度
验表明，对于砂土，k值对数与孔
• 土的饱和度
隙比及相对密度呈线性关系；对
• 土的结构和构造 粘性土，孔隙比对k值影响更大。
（2）水的性质
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
（1）土的性质
• 粒径大小及级配 • 土的密实度
• 土的饱和度 • 土的结构和构造
第3章 土的渗透性和渗流
§3.1 概
述
§3.2 土的渗透性
§3.3 土中二维渗流及流网
§3.4 渗透破坏与控制
§3.1 概 述
土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空 间互相连通。如果存在水位差的作用，水就会在 土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。
水等液体在土体孔隙中
流动的现象称为渗流。
土具有被水等液体透过
k1
h1 L1
k2
h2 L2
已知：L1=L2=40cm, k1= 2k2，故2△h1= △h2 ，
代入△h1+△h2 = △h=30cm得：
△h1=10cm，△h2 = 20cm
由此可知，测压管中的水面将升至右端水面以上10cm处。
基坑
渗流问题 1.渗流量（降水办法） 2.渗透破坏（流砂）
透水层 不透水层
§3.1 概 述
土坝蓄水后水透
土石坝坝基坝身渗流 过坝身流向下游
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题： 1.渗流量？ 2.渗透破坏？
透水层
3.渗透力？
不透水层
§3.1 概 述 水井渗流
Q 天然水面
透水层
不透水层
渗流问题： 1.渗流量Q？ 2.降水深度？
土愈密实，k值得愈小。试
• 土的密实度
验表明，对于砂土，k值对数与孔
• 土的饱和度
隙比及相对密度呈线性关系；对
• 土的结构和构造 粘性土，孔隙比对k值影响更大。
（2）水的性质
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
（1）土的性质
• 粒径大小及级配 • 土的密实度
• 土的饱和度 • 土的结构和构造
第3章 土的渗透性和渗流
§3.1 概
述
§3.2 土的渗透性
§3.3 土中二维渗流及流网
§3.4 渗透破坏与控制
§3.1 概 述
土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空 间互相连通。如果存在水位差的作用，水就会在 土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。
水等液体在土体孔隙中
流动的现象称为渗流。
土具有被水等液体透过
k1
h1 L1
k2
h2 L2
已知：L1=L2=40cm, k1= 2k2，故2△h1= △h2 ，
代入△h1+△h2 = △h=30cm得：
△h1=10cm，△h2 = 20cm
由此可知，测压管中的水面将升至右端水面以上10cm处。
3 土力学(permeability)土的渗透性及渗流
各类土的渗透系数
k反映了土渗透性的强弱
砾砂、粗砂 中砂 细砂、粉砂 粉土 粉质黏土 黏土
10-3~10-4 m/s
10-4~10-5 m/s
10-5~10-6 m/s
10-6~10-8 m/s
10-8~10-9 m/s
10-9~10-12 m/s
砂、砾的透水性强，可以起到排水作用； 粘性土的透水性弱，可以起到截水的作用。 砾砂、粗砂、中砂属强透水材料，粉、细砂属中透水性材料， 粉土属弱透水材料，粉质粘土属于基本不透水材料， 粘土属于不透水材料。
不透水层
成层地基竖向等效渗透系数
Equivalent permeability determination- ertical flow in stratified soil
kV eq H H1 H 2 H 3 Hn kV kV kV kV 1 2 3 n
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
渗流量
透水层
不透水层
渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
渗水压力
渗流量
基坑
透水层 不透水层
渗透变形
扬压力
水井渗流
Q
天然水面
透水层
渗流量
不透水层
渠道渗流
渗流量
渗流时地下水位
原地下水位
土的渗透性及渗透规律
渗流量
渗透力与渗透变形
渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨地区边坡
依据(b) 达西定律 v = ki Kozen-Carman公式表达式
土力学第三章：土的渗透性和渗流
2）达西定律的适用范围 雷诺数Re：一种可以用来表征流体流动情况的无量纲
数，Re=pvd/u。 对砂土： （1）水流速度很小时，达西
定律适用（Re在1~10之间）；
（2）水流速度增加到惯性力 占优势的层流并向湍流过渡 时，达西定律不再适用（Re
在10~100之间）；
（3）水流进入湍流状态，达西定律完全不再适用
h1 6.923cm, h2 23.077cm
由此可知，在砂 和砂 分界处，测压管中水面将升
至右端水面以上。
（2）根据h1=6.923cm ,可得：
q
kiA
k1
h1 L1
A
q 0.2 6.923 200cm3 / s 9.231cm3 / s 30
三、渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
i h L
总水头－单位重量水体所具有的能量
h z u v2 w 2g
z：位置水头
uA
u/γw：压力水头
w
h1
V2/(2g)：流速水头≈0
zA
总水头： h z u
w
0 测管水头
A B
L
基准面
Δh
uB
w h2 zB
0
A点总水头：
Байду номын сангаасh1
zA
uA w
B点总水头：
h2
zB
uB w
水头差：
h h1 h2
kA h
tt12dt
h2
h1
aL kA
dh h
k aL ln h1 A(t2 t1) h2
k 2.3 aL lg h1 A(t2 t1) h2
Q 土样 A
dh h1
h
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
【土力学系列】第3章 土的渗透性和渗流
土颗粒
水
(3) 力的平衡条件：
考察土样中的水在垂直方向的受力平衡：
则:
whlA+wLAwh2A =J＝jLA
“注意： wLA 为孔隙水重量和土粒浮力反力之和”
即 jL=w (h1+Lh2)
将h2=h1+Lh代入上式，得渗透力为：
总渗透力为：
水体的平衡
结论：
渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； 是一种体积力 渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。
土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象。
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
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。
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。
则得 Q qt kiAt k h At L
故渗透系数为
k QL hAt
2019/6/4
图3-7 常水头渗透试验
2019/6/4
常水头渗透试验装置
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：
土骨架 a．土骨架所受浮重力Fw=LA b．总渗透力J=jLA，方向向下 c．土样底面所受的反力p
（a）水土整体 （b）土骨架 （c）水 图3-10 土颗粒和水受力示意图
水
a．孔隙水重量和土粒浮力反力之和Fw=wLA b．流入面和流出面的静水压力whlA和wh2A c．土粒对水的阻力J ，大小与渗透力相同，方向相反
水
(3) 力的平衡条件：
考察土样中的水在垂直方向的受力平衡：
则:
whlA+wLAwh2A =J＝jLA
“注意： wLA 为孔隙水重量和土粒浮力反力之和”
即 jL=w (h1+Lh2)
将h2=h1+Lh代入上式，得渗透力为：
总渗透力为：
水体的平衡
结论：
渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； 是一种体积力 渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。
土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象。
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
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。
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。
则得 Q qt kiAt k h At L
故渗透系数为
k QL hAt
2019/6/4
图3-7 常水头渗透试验
2019/6/4
常水头渗透试验装置
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：
土骨架 a．土骨架所受浮重力Fw=LA b．总渗透力J=jLA，方向向下 c．土样底面所受的反力p
（a）水土整体 （b）土骨架 （c）水 图3-10 土颗粒和水受力示意图
水
a．孔隙水重量和土粒浮力反力之和Fw=wLA b．流入面和流出面的静水压力whlA和wh2A c．土粒对水的阻力J ，大小与渗透力相同，方向相反
土的渗透性及渗流
3.3.2 不同土渗透3.3系土的渗透系数 数的范围
1、P37，表3-2. 2、卡萨哥兰德三界限值
K=1.0cm/s为土中渗流的层流与紊流的界限； K=10-4cm/s为排水良好与排水不良的界限，也是 对应于发生管涌的敏感范围； K=10-4cm/s大体上为土的渗透系数的下限。
3、在孔隙比相同的情况下，粘性土的渗透系 数一般远小于非性土。
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
渗流滑坡
渗流滑坡
板桩围护下的基坑渗流 板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺盖
不透水层
土石坝
浸润线
渗流量
透水层 渗透变形
本章研究内 容
土的渗流 土的变形 土的强度
讨论 ❖ 砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合
达西定律，-i 为线性关系
❖ 粗粒土： i 小、 大水流为层流，渗透规律符合 达西定律，-i 为线性关系 i 大、 大水流为紊流，渗透规律不符合 达西定律，-i 为非线性关系
3.3.1 渗透系数的3.3 土的渗透系数
影响因素1
1、孔隙比
v
nvs
e 1 e
素2
3、土的饱和度
土的饱和度愈低，渗透系数愈小。因为低饱和土 的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌 塞细小孔道。
4、温度
渗透系数k实际上反映流体经由土的孔隙通道时 与土k颗20 粒k间T 摩T 擦20力或粘滞滞T系、性数2。，0分可别而查为流表T℃体和2的0℃粘时水滞的性动力与粘 其温度有关。试验测得的渗透系数kT需经温度修 正（P36,表3-1）
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
土力学-土渗透和渗流
土 样 内 对 水 流 的 阻 力 : J ' = j ' L A = - J
（3）渗透力的计算 考虑下图的平衡条件得：
w h w A L A w j'L A w h 1 A
j' w(h1hwL)
L
w
h L
wi
j j' wi
由上式可知：渗透力是一种体积力（而不是面 力），其量纲与rw相同 渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流 方向一致。 （4）临界水力梯度
Bernoulli’s Equation
z位能水头;u静水压力;w水重度;h-总水头
不 计 流 速 的 影 响 : h z u w
hA HAZA
HA uA /w
hB HBZB
HB uB /w
hhA hB
水力梯度i:
单位长度总水头 的变化
i h L
二、达西渗流定律：
1856年法国学者Darcy根据试验结果建立下式
v ki
v—渗流速度（宏观平均值）
k—渗透系数 q v A
q—单位时间流过截面A的水量（平均流量） A—垂直于渗流方向土的截面面积
Q—总流量（通过确定面积A） t —渗流时间
Q qt
渗透系数k的确定方法
实
验
方
法
室内试验方法定水头试验-适用于中.粗砂
变 水 头 试 验 - 适 用 于 粘 土 . 细 粒 土
2、土骨架与孔隙水分开考虑（见图3.8等号右端）
（1）土骨架反力 土 粒 有 效 重 量 ：
w’=r’·L·A 向下的总渗透力：
J=j·L·A 滤网向上的支承力：
P
（2）孔隙水的受力 ● 孔隙水重量+土
（3）渗透力的计算 考虑下图的平衡条件得：
w h w A L A w j'L A w h 1 A
j' w(h1hwL)
L
w
h L
wi
j j' wi
由上式可知：渗透力是一种体积力（而不是面 力），其量纲与rw相同 渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流 方向一致。 （4）临界水力梯度
Bernoulli’s Equation
z位能水头;u静水压力;w水重度;h-总水头
不 计 流 速 的 影 响 : h z u w
hA HAZA
HA uA /w
hB HBZB
HB uB /w
hhA hB
水力梯度i:
单位长度总水头 的变化
i h L
二、达西渗流定律：
1856年法国学者Darcy根据试验结果建立下式
v ki
v—渗流速度（宏观平均值）
k—渗透系数 q v A
q—单位时间流过截面A的水量（平均流量） A—垂直于渗流方向土的截面面积
Q—总流量（通过确定面积A） t —渗流时间
Q qt
渗透系数k的确定方法
实
验
方
法
室内试验方法定水头试验-适用于中.粗砂
变 水 头 试 验 - 适 用 于 粘 土 . 细 粒 土
2、土骨架与孔隙水分开考虑（见图3.8等号右端）
（1）土骨架反力 土 粒 有 效 重 量 ：
w’=r’·L·A 向下的总渗透力：
J=j·L·A 滤网向上的支承力：
P
（2）孔隙水的受力 ● 孔隙水重量+土
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
第三章土的渗透性及渗流ppt课件
2024年8月1日星期四2时44分59秒
34
3.渗透破坏与控制
J = rwi
（1）流砂 当向上的渗流力与土的浮重
度相等时，粒间有效应力σ'为零， 颗粒群同时发生悬浮、移动的现象 称为流砂现象（流土现象）。
J= r' rwicr= r'
r' icr= rw
i ≥ icr 流砂
2024年8月1日星期四2时44分59秒
水在土中渗透有规律可以遵循吗？
如何定性和定量化评价水在土中的渗透性的大小？如何来描述？
2024年8月1日星期四2时44分58秒
12
一、渗流模型
实际土体中的渗流仅是流 经土粒间的孔隙，由于土体 孔隙的形状、大小及分布极 为复杂，导致渗流水质点的 运动轨迹很不规则。
简化
（1）不考虑渗流路径的迂
回曲折，只分析它的主—“截弯取直” 要流向 ；
9;
由这些特征可进一步知道，流网中等势
线越密的部位，水力梯度越大，流线越
密的部位流速越大。
板桩墙围堰的流网图
2024年8月1日星期四2时44分59秒
28
流网的绘制
(1) 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；
(2) 判定边界条件：透水面（aa' ，bb' ）等势线 ； abc 和不透水面 为流线；
27
3.流网的特征与绘制
流网的特征
对于各向同性渗流介质，流网具有下列特征：
(1) 流线与等势线互相正交；
(2) 流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为
1 时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网；
(3) 相邻等势线之间的水头损失相等；Δh= ΔH
(4) 各个流槽的渗流量相等。 q=Nf Δq
第三章 土的渗透性与渗流
管涌破坏土体局部范围的颗粒同时发生移动只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口形成条件土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态经验判断
考核知识点
1.水力梯度（出现渗流的决定因素） 2.达西定律（定义、表达式、适用条件） 3.渗透系数（定义、单位、测定方法） 4.影响渗透性的因素
2013---1 单选
6.衡量土的渗透性大小的指标是（） A.相对密度 B 水力梯度 C 土的有效粒径 D 渗透系数
2013---1 判断题
QA
h L
Q 断面平均流速 v A
水力坡降
vi
i h L
2. 达西定律
渗透定律
在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
vi
v ki
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 注意： V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度 Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
临界水力坡降
icr = γ’ /γw
(G s 1) w 1 e
icr
ds 1 1 e
d
s
11 n
三、渗透变形（渗透破坏）
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 基本类型
流土 管涌 形成条件 防治措施
1. 流土
在向上的渗透作用下，表层局部土 体颗粒同时发生悬浮移动的现象。
考核知识点
1.水力梯度（出现渗流的决定因素） 2.达西定律（定义、表达式、适用条件） 3.渗透系数（定义、单位、测定方法） 4.影响渗透性的因素
2013---1 单选
6.衡量土的渗透性大小的指标是（） A.相对密度 B 水力梯度 C 土的有效粒径 D 渗透系数
2013---1 判断题
QA
h L
Q 断面平均流速 v A
水力坡降
vi
i h L
2. 达西定律
渗透定律
在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
vi
v ki
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 注意： V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度 Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
临界水力坡降
icr = γ’ /γw
(G s 1) w 1 e
icr
ds 1 1 e
d
s
11 n
三、渗透变形（渗透破坏）
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 基本类型
流土 管涌 形成条件 防治措施
1. 流土
在向上的渗透作用下，表层局部土 体颗粒同时发生悬浮移动的现象。
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
土力学第二章土的渗透性和渗透问题
三．渗透系数的测定及影响因素
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
A
B
L
h1
h2
zA
zB
Δh
0
0
基准面
水力坡降线
总水头－单位质量水体所具有的能量
流速水头≈0
A点总水头：
B点总水头：
总水头：
水力坡降：
一．渗流中的水头与水力坡降
§2.1 土的渗透性与渗透规律 Permeability and seepage law of soil
概述
Ch2 土的渗透性和渗流问题 Permeability and seepage problem of soil
概述
Teton坝
渗流量
渗透变形
渗水压力
渗流滑坡
土的渗透性及渗透规律
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
扬压力
土坡稳定分析
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
§2.3 渗透力与渗透变形 Seepage force and seepage deformaton
学习目标
学习基本要求
参考学习进度
学习指导
学习目标
掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。
掌握土的渗透定律
01
掌握二维渗流及流网绘制
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。
《岩土力学》课件——第三章-土的渗透性及渗流
20
t=t1
t t+dt
t=t2
h2
水头 测管
开关
a
§3.2 土的渗透性 §3.2.3 渗透试验及渗透系数
2、 现场测定渗透系数 实验方法：井孔抽水
A=2πrh i=dh/dr
抽水量Q
观察井
r2 r r1
q Aki 2rh k dh
dr
q dr 2khdh r
积 分
井 地下水位≈测压管水面
vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
n Av A
A > Av
q＝vA ＝ v
§3.2 土的渗透性 §3.2.2 土的层流渗透定律
适用条件：
层流（线性流）
岩土工程中的绝大多数渗流问 题，包括砂土或一般粘土，均 属层流范围
在粗粒土孔隙中，水流形态可 能会随流速增大呈紊流状态， 渗流不再服从达西定律。
dr dh
h1 h
h2
q ln r2 r1
k(h22
h12 )
k q ln(r2 / r1 )
h22 h12
不透水层 优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
21
§3.2 土的渗透性 §3.2.3 渗透试验及渗透系数
3.影响渗透系数的主要因素
k f (土粒特性、流体特性）
z：位置水头 u/γw：压力水头 V2/(2g)：流速水头≈0
uA w
h1 zA
水头： h z u
w
0 测管水头
A
B L
基准面
Δh
uB
w h2
zB 0
A点总水头：
B点总水头：
水头差：
水力坡降：
t=t1
t t+dt
t=t2
h2
水头 测管
开关
a
§3.2 土的渗透性 §3.2.3 渗透试验及渗透系数
2、 现场测定渗透系数 实验方法：井孔抽水
A=2πrh i=dh/dr
抽水量Q
观察井
r2 r r1
q Aki 2rh k dh
dr
q dr 2khdh r
积 分
井 地下水位≈测压管水面
vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
n Av A
A > Av
q＝vA ＝ v
§3.2 土的渗透性 §3.2.2 土的层流渗透定律
适用条件：
层流（线性流）
岩土工程中的绝大多数渗流问 题，包括砂土或一般粘土，均 属层流范围
在粗粒土孔隙中，水流形态可 能会随流速增大呈紊流状态， 渗流不再服从达西定律。
dr dh
h1 h
h2
q ln r2 r1
k(h22
h12 )
k q ln(r2 / r1 )
h22 h12
不透水层 优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
21
§3.2 土的渗透性 §3.2.3 渗透试验及渗透系数
3.影响渗透系数的主要因素
k f (土粒特性、流体特性）
z：位置水头 u/γw：压力水头 V2/(2g)：流速水头≈0
uA w
h1 zA
水头： h z u
w
0 测管水头
A
B L
基准面
Δh
uB
w h2
zB 0
A点总水头：
B点总水头：
水头差：
水力坡降：
土力学 第3章 土的渗流
三、在稳定渗流作用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aa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
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
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
土的渗透性及渗流
v q A
水力坡降 i h L
vi v ki
注：达西定律合用条件
层流（线性流） ——大部分砂土，粉土；疏松 旳粘土及砂性较重旳粘性土
砂土旳水力梯度与渗透速度呈线 性关系，符合达西渗透定律。
两种特例
v
粗粒土： 砾石类土中旳渗流不符合达西定律
vcr
o
vk i
v ki
i
粘性土：clay 致密旳粘土
第3章 土旳渗透性及渗流
3.1 概述
水在土体孔隙中流动旳现象 土具有被水等液体透过旳性质
渗流 渗透性
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
不透水层
透水层
板桩围护下旳基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层
渗流滑坡
三个方面 :
•渗流量问题： 基坑开挖排水 量计算，坝身、
k: 反应土旳透水性能旳百分比系数，称为渗透系数
△h 试样两端旳水位差，即水头损失
△ L 渗径长度
达西渗透定律 Darcy 's law
渗透试验
▪试验前提：层流 ▪试验条件: h1，A，L ▪量测变量: h2，QL↑， q↓
q A h L
断面平均流速
k x
1 H
kiHi
kz
H Hi
ki
5、渗透力 J —：渗透作用中，孔隙水对土骨架旳作用
力，方向与渗流方向一致。
Gd γwi
6、临界水力梯度
i cr
γ γω
Gs 1 1e
i icr 不发生流土
i icr 发生流土
Exercises
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潜蚀作用：
机械潜蚀—流动的机械力将细土粒带走而形成洞穴
潜蚀作用—水流溶解了土中易溶盐，胶结物使土
变松散，土体被软化、弱化，细土粒被水冲走， 形成洞穴 3.流土判别 饱和的 易发生流砂的土 颗粒级配均匀 细砂 粉砂 粉土层
上海地区易发生流砂的土层特征 粘粒含量小于10% 土的不均匀系数Cu<5 土的含水量大于30% 粉粒、砂粒含量大于75% 土的孔隙率大于43%（e大于0.75） 粘土夹有砂层，其厚度大于25cm
垂直渗透系数
k1
k2 k3
qy q1y q2y q3y
H1
H2 H
H3
1 k y (i1 H 1 i2 H 2 in H n ) k1i1 k 2 i2 k n in H
整个土层与层面垂直的渗透系数
ky H H1 H2 Hn k1 k2 kn
H = nH i
解
已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积
d 2 3.14 0.42 a 0.1256 2 cm 4 4
h1=160cm，h2=52cm，△t=900s 试样在30℃时的渗透系数
h1 aL 0.1256 4 160 k 30 2.3 lg 2.3 lg 2.09 105 cm/s At 2 t1 h2 30 900 52
的土，例如砂土。 时间t内流出的水量
Q=qt
k=QL/A ht
2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化
截面面积a 适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土
任一时刻t的水头差为h，经 时段dt后，细玻璃管中水位 降落dh，在时段dt内流经试 样的水量
dQ=－adh 在时段dt内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量＝流经试样水量
1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究
结论：
水在土中的渗透速度与试样 的水力梯度成正比 达西定律
v=ki
i=h/L
水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失
渗透定律
q=kAi v=k i i= h/L
v
v=ki O
砂土
i
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系
k
渗透系数 cm/s
k 是反映土体透水能力大小的综合性指标
T、20分别为T℃和20℃时水的动
力粘滞系数，可查表
4、渗透系数k的经验确定方法
洁净不含细粒土的松砂
k=1.0-1.5(d10)2
较密实、击实砂土
k=0.35(d15)2 黏性土
k=C3(en/1+e)
5、成层土的等效渗透系数
（1）与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数)
q1x qx q2x q3x k1 k2 k3 H1 H2 H H3
隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
H
渗透
在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象
渗透性
土体具有被液体透过的性质
土的渗流 土的变形 土的强度 渗透性研究的 三个方面
相互关联
相互影响 渗流量问题 渗流控制问题 渗透破坏问题
§3.2 土的渗透性(达西定律)
3.2.2土的层流渗透定律 1、达西定律
渗透系数k愈大， icr愈低
3.4.2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，粒间力有效应力为零时,或某一范围内 土颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。一般是突发性的破坏
流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、 淤泥等较易发生流土破坏
E点的坐标
H=h1 + Z1 - ZE -（ni - 1） h
ni 第i根等势线数
上游水位高 E水头损失
H=h1 + Z1 - ZE -（ni - 1） h
a′ h1 a b
H
b′
z1
E
c
zE
s s
不透水层
§3.4 渗透破坏与控制
3.4.1渗流(透)力
拖曳 力
水
渗透力 阻力
土
二者大小相等方向相反
冷冻设备出现故障导致温度回升 地下承压水导致喷沙
隧道内江水、流沙涌入，官兵们二话不说跳入齐腰深的江水，把 每只近百斤重的沙包一一垒起，阻挡肆虐水流；江堤裂缝处发生 管涌险情，机械设备一时难以到位，官兵们就用肩扛背驮，在防 汛墙外、江水之中筑起了一道74米长、5米宽的“Ｕ”型围堰，并 且经受住了几次高潮位的考验。仅7月1日19时50分至2日16时，短 短20多个小时，武警官兵装填搬运的沙包数量就超过5万只，累计 土方3000多吨。
通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和
q x q1x q 2 x q nx qix
i 1
n
达西定律
q x k x iH
平均渗透系数
q1x
qx q2x q3x
k1
k2 k3
H1
H2 H H3
q
i 1
n
ix
k1iH 1 k 2 iH 2 k n iH n
k越 大土的透水能力越强
2、达西定律适用范围与起始水力坡降
V=k(i-ib)
密实的粘土，需要克服结合水的 粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗 透系数与水力坡降的规律还偏离 达西定律而呈非线性关系 v
虚直线简化
达西定律适用于层 流，不适用于紊流
0
ib
密实粘土 i
起始水 力坡降
讨论
砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合
整个土层与层面平行的渗透系数
kx
1 H
k
i 1
n
i
Hi
(2)垂直渗透系数
k1 k2 k3 qy H1 H2 H H3
根据水流连续定理，通过整个 土层的渗流量等于通过各土层 的渗流量
q1y
q2y q3y
qy q1y q2 y qny
各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、…、in，总的水力坡降为i
c b
渗流力与重力方 向相反，当渗透 力大于土体的有 效重度，土粒将 被水流冲出
渗流方向近乎水平，使 土粒产生向下游移动的 趋势，对稳定不利
受到水的浮力作用为浮重度 ′ 临界水力梯度———使土体开始发生渗透变形的水力梯度 J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力梯度即为 临界水力梯度
aL h1 k＝2.3 lg At2 t1 h2 aL h1 k＝ ln At2 t1 h2
－adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
3、影响渗透系数的主要因素 (1)土的粒度成分
土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大
细粒含量愈多，土的渗透性愈小， (2)土的密实度
土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小
第3章
土的渗透性及渗流
主要内容
土的渗透性、渗透系数 土中二维渗流及流网 渗透破坏与控制
第3章
土的渗透性及渗流
重点掌握内容
达西定律 渗透系数及其确定方法 熟悉流网 渗透力与渗透变形 渗流工程问题与处理措施
§3.1概述
上游 浸润线 下游 流线 土坝蓄水后水透 过坝身流向下游
等势线
土愈密实渗透系数愈小
(3)土的饱和度
土的饱和度愈低，渗透系数愈小 (4)土的结构 扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小
(5)水的温度(水的动力粘滞系数)
水温愈高，水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大
k 20 kT T 20
(6)土的构造 水平方向的h>垂直方向v
轨道交通4号线是上海轨道交通环线的东南半环，全 长22公里。2007年7月1日凌晨，4号线越江隧道区间 用于连接上、下行线的安全联络通道———旁通道 工程施工作业面内，因大量的水和流沙涌入，引发 隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，造成3栋建 筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌。
事故原因： 竖井与旁通道的开挖顺序错误
2.管涌——在渗流作用下，土中的细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙 中移动，随着土孔隙不断扩大，发生移动并被带出的现象， 渗 透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体 内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷。
土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏
每个渗流区的形状接近“方块”
a′ h1
a
b
H
b′
z1
E
c
zE
s s
不透水层
流线=4
等势线=10
Nd=10-1
Nf=4-1
1.5m 5m 1m 1.20m
10m
B
A
2.6m
E
O
zE
O
3、流网的工程应用 （1）渗流量的计算
总水头差 H h
相临等势线之间的水头损失
h= H
N
d
等势线条数n=10，流线条数m=4
渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力
渗流力
J=i
渗流力是一种体积力 单位为kN/m3
作用方向：与渗流方向一致（流线方向）
大小与水力梯度成正比
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