土力学土的渗透性

有效应力=0
总应力=h1+sath2 孔隙水应力u=h1+h2+h 则有效应力=-u=h2-h • 与静水条件比较：
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力增加h， 有效应力等量减小h。
渗流作用下的有效应力原理
• 静水条件下的有效应力：
等于土体的浮容重乘以水头高度。 h2
• 稳定渗流条件下的有效应力：
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
2）从上往下 h<0
h
3）从下往上 h>0
a h1
a
h2
b
b
静水条件下的有效应力原理
• b-b平面上的应力： 总应力为： =h1+sath2 孔隙水应力为： u=h1+h2 则有效应力为： =-u= sath2-h2=h2
• 说明： 1）如果成层土的厚度大致相同，而渗透系数又相
差比较大的情况下，水平方向的渗透系数取决于透水 性最大一层的渗透系数；
2）垂直方向的渗透系数则取决于最不透水一层的 渗透系数。
有效应力和孔隙水压力
• 外荷载分担： 外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部
分由孔隙水承担，一部分由孔隙气体承担。 对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。
测定在一定时间内流出的水量计算渗透系数。
• 变水头试验：
k QL Aht
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。
k 2.3 aL log h1 A(t2 t1 ) h2
渗透试验简图
• 常水头试验： 试验过程中，h保持不变
• 变水头试验： 试验过程中， h随时间变化（下降）
有效应力=0
总应力=h1+sath2
孔隙水应力u=h1+h2-h
则有效应力=-u=h2+h
• 与静水条件下比较：
总应力不变=h1+sath2，孔隙水应力减小h， 而有效应力增加h。
稳定渗流条件下的有效应力原理-2
• 渗流从下到上： • 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：
• n层土的渗透系数：
垂直层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）总水头等于两部分水头损失之和， 即h=h1+h2，即iH=i1H1+i2H2； 2）各层的渗流量相等，即q=q1=q2。 则两层土的垂直向渗透系数为：
• n层土的渗透系数：
讨论
• 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数 kx> ky
渗流从上到下：
有效应力等于土体的浮容重乘以水头高度再加上
水的容重乘以水头高度。
渗流从下到上：
• 颗粒大小和级配的影响： 颗粒大，渗透系数大；颗粒小，渗透系数小。级配不 均匀的渗透系数小于级配均匀的渗透系数，说明级配 越不均匀，渗透系数越小；级配越均匀，渗透系数越 大。
• 孔隙比的影响： 土越松散，孔隙比越大，则渗透系数越大； 土越紧密，孔隙比越小，则渗透系数越小。
• 有机质和胶体颗粒的影响： 有机质越多，胶体颗粒含量越少，渗透系数越大。
• 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。
• 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 总应力、有效应力和孔隙水压力之间存在关系。
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。
• 讨论： 1）有效应力与土深成正比，而与水深无关，它是土
柱的有效重量（因为水下的土粒受到水的浮力作用， 其重量按浮容重计算），成三角形分布；
2）孔隙水应力与水深成正比，也成三角形分布。
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：
渗透系数影响因素-2
• 水的动力粘滞系数的影响： 渗透系数k随温度的变化而变化。渗透系数以10C时的
温度为准，其它温度下的渗透系数kT需换算成10C下的 渗透系数k10：
k10= kT. T/10 （是水的动力粘滞系数） • 封闭气体的影响：
土中气体分为两部分：自由气体、封闭气体。 封闭气体的存在，会阻塞通道，影响土的渗透性。 封闭气体含量越多，则渗透系数越小。 • 成层土的影响： 水平方向的渗透系数总是大于垂直方向的渗透系数。
h
a性划分
• 根据渗透系数的大小，土的透水性划分为三类： 强透水性土：k>10-2cm/s
中等透水性土：k=10-3cm/s~10-5cm/s 弱透水性土：k<10-6cm/s
• 实际工程中，根据实际部位的要求，选择相应透 水性的土体。
渗透系数的影响因素-1
• 影响因素：颗粒大小和级配、孔隙比、水的动力粘滞 系数、封闭气体、有机质和胶体颗粒、成层土
成层土的渗透性
• 因为土实际上是成层分布的，所以存在着平行层理 方向和垂直层理方向的渗透系数。
y
水平
0
H1 q1 i1 k1 H2 q2 i2 k2 H3 q3 i3 k3
垂直
x
平行层理方向的渗透系数
• 两层土的渗透系数： 具有以下特性： 1）各层的水力坡降相等，即i= i1= i2； 2）总渗流量等于各分层流量之和，即q= q1+ q2 则两层土的水平向渗透系数为：
v k(i ib )
• 起始水力坡降ib： 由于粘性土的颗粒之间存在连接力所致。
• 粘性土的渗透性： 相同水力坡降条件下，水在砂土中可以流动， 而在粘性土中只有水力坡降大于起始水力坡降时才流动
渗透系数的测定
• 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。
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。
v ki k h
• 砂土的渗透性：
L
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。
粘性土的达西定律
• 粘性土的达西定律： 当水流处于层流状态时， 粘性土的渗透速度与水力坡降成正比。