第二章土的渗透性确定
土力学 第2章 土的渗透性
n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v
vs
v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
层流(线性流):大部分砂土，粉土；
疏松的粘土及砂性较重的粘性土。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土：近似适用： v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0：起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1，利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k，然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点：设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点：取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土，导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗，延长渗径；下 游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例：
2003年7月1日，上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故，防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数，通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义：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。 长期管涌破坏土的结构，最终导致土体内形成贯通的渗流 管道，造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件
《土力学》 2 土的渗透性
土力学2土的渗透性《土力学》第二章 土的渗透性一．概念1． 渗流：在水位差作用下，水穿过土中的相互连通的孔隙发生流动的现象。
2． 土的渗透性：土体被水透过的性质，称为土的渗透性。
二．达西定律水在砂土中流动，为层流，渗流速度与土样两端的水头差成正比，而与渗径长度成反比，即渗透速度与水力坡降成正比。
表达式ki Lhkv == 注意：（1）层流状态（2）L ：渗径长度是流动路径而非水平距离 （3）V 与i 线性关系（4）A ：为垂直于渗流方向的土样截面积，V 为全断面平均流速三．达西定律适用范围（1）只适用于层流状态：砂类土，粉土，疏松的粘土 （2）对于密实的粘土 （3）对于某些粗粒土第二节 渗透系数的测定一．测定方法试坑注水法：非饱和土现场渗透实验抽水法：饱和土常水头试验 室内渗透实验 变水头试验（一） 常水头实验法：保持水头在整个实验过程中不变适用：透水性较强的粗粒土；hAtVLk =（二）变水头试验：2112)(h h l t t A al k n -=或 2112lg )(3.2h h t t A al k -=渗透系数K 作用： ⑴判断土的渗透性⑵选择坝体填筑土料的依据 ⑶坝身，坝茎，渠道等渗水量⑷分析堤坝，基坑边坡的渗透稳定性 ⑸粘土地基的况降历时二．影响因素（一） 土粒大小与级配愈粗，愈均匀，愈浑圆，k 则愈大 细粒土颗粒愈细，粘粒愈多，k 愈小（二） 土的密实度土愈密实，孔隙比愈小，k 愈小（三） 水的温度：水的动力粘滞系数随温度升高减小，k 大2020ηηt tk k = （四） 封闭气体含量渗透面积减小，k 降低为了试验的可靠性，要求土样必须充分饱和思考：1、达西定律的含义是什么？适用于什么情况？2、为何选用不同的渗透试验方法？各适用于什么情况？3、渗透力对土的稳定性有何影响？为何渗透力与体积有关？第三节 渗流作用下的应力状态一．有效应力原理孔隙水应力U=总应力：σ=σ/+U 有效应力：σ/二．静水条件下土中的孔隙水应力U 与有效应力σ/a-a 面：孔隙水应力U=γw (h 1+h 2)总应力：作用在a-a 单位面积上土水重力的合力 σ=γw h 1+γsat h 2据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为：σ/=σ+U=(γw h 1+γsat h 2)- γw (h 1+h 2)= (γsat -γw ) h 2=γ/h 2三．稳定渗透下土中的U 和σ/ （一） 渗流条件下U 与σ/1． 渗流入口处发生向下渗流情况溢流坝地基在上、下游水位差作用下发生渗流的情况 a 点处：总应力： σ=γw h 1+γsat h 2孔隙水应力U=γw (h 1+h 2-h)据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为：σ/=σ+U=(γw h 1+γsat h 2)- γw (h 1+h 2-h)=γ/h 2+γw h 2、渗流出逸处发生向上渗流情况b 点处：总应力： σ=γw h /1+γsat h /2 孔隙水应力U=γw (h /1+h /2+h /)据有效应力原理a-a 面有效应力σ/为：σ/=σ+U=(γw h /1+γsat h /2)- γw (h /1+h /2+h /)= γ/h /2-γw h /（二） 渗透力渗透力：渗流作用在单位土体中的颗粒上的作用力i lhj w wγγ==渗流进口处：渗透力增大了土有效的作用，对土体稳定有利； 水平部位：使土粒产生向下游移动的趋势，对土体稳定不利； 出逸处：渗透力减轻了土有效重力的作用，对土体的稳定不利：第四节渗透变形土体的渗透变形实质上是由于渗透力的作用而引起的。
第2章 土的渗透性与渗透变形
d s 1 2.68 1 icr 0.92 1 e 1 0.82
[i ] icr 0.92 0.37 K 2 .5
允许水力坡降
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
31
渗流工程问题与防治措施
渗流工程问题
土力学中与渗透有关的几个重要内容
土体固结的速度 边坡、挡土墙、堤坝的抗滑稳定性 地下施工时的降水 土坝的抗渗透破坏稳定性
3
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 土石坝 浸润线
透水层
不透水层
4
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层
不透水层
5
水井渗流
Q
天然水面 透水层
不透水层
6
渠道渗流
渗流时地下水位
Qx k xiH
ix
Q
i 1
n
k1iH1 k2iH 2 kniH n
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
20
2.垂直渗透系数
Qy
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
H1
H2 H
k1
k2 k3
Q1y
Q2y Q3y
管内减少水量＝流经试样水量
－adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
南55渗透仪·
16
3.现场实验——现场抽水实验
以不变的速率连续抽水，形成降水漏斗 假定：水流为水平流向 流向水井的渗流过水断面为同心圆柱面
地下水进入抽水井的流量与抽 水量相等且维持稳定时，测定 相关数据，计算土层平均k
2 土力学 第二章 土的渗透性及水的渗流
二、临界水力梯度及渗透破坏 当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力 等于土样浮度，即
j = iγ w = γ , 得临界水力梯度： i cr =
γ' γw
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
因此，若土中水向上渗流： ⑴若i>icr，会发生流土破坏，即“管涌”； ⑵若i=icr，流土处于临界状态，即“悬浮”； ⑶若i<icr，不会发生流土破坏。
h = z + hW + hV
由于水在土中渗流的速度一般很小，hv≈0，因此
h = z + hW = z +
u
γw
式中 u为该点的静水压力
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
A、B两点的总水头可分别表示为：
hA = z A +
γω
uA
; hB = z B +
γω
uB
A、B两点间的总水头差：
作业题：P54： 2-7，2-9 补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流 §2.1 土的渗透定律
土的渗透性：由于土中孔隙是相互连同 的，土体孔隙中的自由水会由于总水头 差而产生流动，这种土体被水透过的性 质，称为土的渗透性(permeability)。 一、土中渗流的总水头与水力梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头 z、静水头hw和动水头hv，即：
土木工程学院 岩土系 冷伍明
第二章 土的渗透性及水的渗流
二、成层土的平均渗透系数 成层土渗透系数的计算方法见P43 三、渗透系数的室内测定方法 渗透系数k不能用理论方法求得，只能通过试验确定。 测定k值室内方法：定水头法、变水头法。 （1）定水头法 保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的水量为Q，求k： 根据达西定律
第二章 岩土体的渗透特性
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下沉问题。
2.2.5 在冻融过程中土中水分的迁移与积聚
➢1．冻土现象及其对工程的危害：
▪ 布范围更广。 冻土现象是由冻结及融化两种作
用所引起。某些细颗粒土层在冻结时，往往会发生土 体体积膨胀，使地面隆起成丘，即所谓冻胀现象。土 层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时其体 积要增大9％的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围 未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移聚集，使冻 土区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土 体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀会使路基隆起， 柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断；冻胀还 使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜 甚至倒塌。
砂砾－砾石、卵石
极强透水
K≤10-5
q≤100
含连通孔洞或等价开度>2.5mm裂隙的岩体
粒径均匀的巨砾
2.2.5 在冻融过程中土中水分的迁移与积聚
➢1．冻土现象及其对工程的危害：
▪ 在冰冻季节土中水分冻结成为冻土。根据其冻融 情况，冻土分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。 季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土；两年 内不融化的土层称为隔年冻土；凡冻结状态持续三年 或三年以上的土层称为多年冻土。我国多年冻土的分 布基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如 东北的大兴安岭北部和小兴安岭北部、青藏高原以及 西部天山、阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的 20％左右，而季节性冻土则分
第二章土的渗透性
第⼆章⼟的渗透性第⼆章⼟的渗透性⼀、学习基本要求⼟的渗透性是⼟⼒学中所研究的三个主要性质之⼀，本章学习基本要求如下：1.知识点与教学要求1.1达西定律1.1.1掌握达西定律及其适⽤条件，渗透系数k的物理意义。
1.1.2理解各种⼟体的渗透规律。
1.1.3了解渗透流速与实际流速的关系。
1.2渗透系数的测定1.2.1掌握渗透试验⽅法和适⽤条件。
1.2.2理解影响渗透系数的因素和各种⼟渗透系数的取值范围。
1.2.3了解成层⼟渗透系数的确定。
1.3渗流作⽤下⼟的应⼒状态1.3.1掌握渗透⼒的概念和计算。
1.3.2理解有效应⼒原理及渗流作⽤下⼟中有效应⼒和孔隙⽔应⼒的计算。
1.3.3了解静⽔条件下⼟中的孔隙⽔应⼒和有效应⼒的计算。
1.4渗透变形1.4.1掌握渗透变形的基本形式、产⽣原因、发⽣部位及临界⽔⼒坡降的确定。
1.4.2理解渗透变形的判别⽅法。
1.4.3了解渗透变形的防治措施。
1.5流⽹在渗流计算中的作⽤1.5.1掌握流⽹在⼯程中的应⽤。
1.5.2理解流⽹特性。
1.5.3了解流⽹、流线与等势线的概念。
2.能⼒培养要求2.1能根据具体情况判别渗透变形，并能选择恰当的处理办法。
2.2能根据试验确定⼟体的渗透系数。
⼆、考核知识点1、达西定律1.1⼟的渗透性概念（1）渗流现象；（2）⼟的渗透性；（3）渗流引起的问题。
1.2达西定律（1）达西定律内容；（2）渗透系数k的物理意义；（3）渗透流速v与实际流速v 的关系。
1.3达西定律的适⽤范围（1）适⽤于层流状态；（2）密实粘⼟中的渗透规律；（3）某些粗粒⼟（如砾类⼟）和巨粒⼟中的渗透规律。
2、渗透系数的测定2.1常⽔头试验法（1）适⽤情况；（2）渗透系数的计算公式。
2.2变⽔头试验法（1）适⽤情况；（2）渗透系数的计算公式。
2.3影响渗透系数的主要因素2.4成层⼟的渗透系数（1）平⾏层⾯渗透性；（2）垂直于层⾯渗流。
3、渗流作⽤下⼟中应⼒状态3.1有效应⼒原理要点（1）饱和⼟体内有效应⼒和孔隙⽔应⼒的概念；（2）有效应⼒原理关系式；（3）⼟的压缩（变形）和强度都取决于有效应⼒的变化。
第2章土的渗透性与渗透变形优秀课件
k (cm/s) 10-1~10-2 10-2~10-3 10-3~10-4 10-4~10-6 10-6~10-7
渗透系数k:
粘土
10-7~10-10
反映土的透水性能的比例系数
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
渗透系数与土的性质有关。
§2.1 土的渗透性与渗透规律
§2.1 土的渗透性与渗透规律
一．渗流中的水头与水力坡降
uB gw
u0 >pa
B
位置水头：到基准面的竖直距 离，代表单位重量的液体从基 准面算起所具有的位置势能
uA 压力水头：水压力所能引起的 gw 自由水面的升高，表示单位重
量液体所具有的压力势能
静静水水 A zB
0
基基准面面
测管水头：测管水面到基准面 zA 的垂直距离，等于位置水头和
野外试验测定方法 井孔抽水试验
学
井孔注水试验
§2.1 土的渗透性与渗透规律
三.渗透系数的测定及影响因素
室内试验方法1—常水头试验
constant head permeability test
Δh
▪试验条件：h，A，L=const
▪量测变量：V，t ▪结果整理：V=Qt=vAt
v=ki i=h/L
A
度
••• •
压击实实功曲能线 压实标准 压实标准
土的压实性
提问
1、击实曲线为什么在饱和曲线以下？
2、压实与含水量之间的关
系如何？
2.0 dmax
1.8
干密度d(g/cm3)
3、砂土在什么含水率条件 1.6
下最容易压实？
1.4
土的渗透性及渗透稳定确定
§2-2 达西定律及其适用范围
可以用粒径来描述Darcy定律的范围
层流（线性流） ——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较 重的粘性土
两种特例
上限：粗粒土 v>vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
下限：粘性土
致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
2.毛细网状水带
位于毛细水带的中部
3.毛细悬挂水
位于毛细水带的上部
土中毛细现象
第二章 土的渗透性及渗透稳定 §2-1 土的毛细性
二、毛细压力
毛细压力：土粒接触面上存在毛 细水，由于土粒表面的润湿作用，使 毛细水形成弯面。在水和空气的分界 面上产生表面张力是沿弯液面切线方 向作用，它促使土粒互相靠拢，在土 粒接触面上产生压力，称为毛细压力
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渗流滑坡
渗流滑坡
第二章 土的渗透性及渗透稳定
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
渗流量 渗水压力 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 边坡渗流
常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土
透水性较小的粘性土
2.室内试验方法2—变水头试验法
(k 10 3cm / s)
试验装置：如图 试验条件: Δh变化，A，L=const 量测变量: Δh ，t
第二章 土的渗透性及渗透稳定 一.渗透试验简介
§2-3 渗透系数及其确定方法
土力学与地基基础-第二章土的渗透性图文
2h x2
2h y 2
0(各向异性：kx
2h x2
ky
2h y 2
0)
上式就是著名的拉普拉斯(Laplace)方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。
二、流网及其特征
就渗流问题来说，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；另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。等势线和流线交 织在一起形成的网格叫流网。
得出：流量Q与过水面积A和水头 （h1-h2）成正比与渗透路径L成反比，
即达西定律： Q kA h1 h2 vA kiA l
达西渗透实验装置
二、达西渗透定律
达西定律是由砂质土体实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细 裂隙的岩石等。
①砂土、一般粘土
②颗粒极细的粘土
细粒土的v-i关系
经验估算法
●1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:
K d2 10
●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:
K 2d 2 e2 10
成层土的渗透系数(补充)
天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的 简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层 与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。
v k h ki l
是单位时间内流过单位土截面积的水量，
i—水头梯度或水力坡降。
k—渗透系数，cm/s。
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。
二、达西渗透定律
达西渗透实验
装置中①是面积为A的直立圆筒，其侧壁装有 两支相距为L的侧压管。滤板②填放颗粒均匀 的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢 水管③溢出，使筒内的水位维持恒定。渗透 过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以 此来计算渗流量Q。
(完整版)第二章土的渗透性和渗流问题要点
第二章 土的渗透性和渗流问题第一节 概 述土是多孔介质，其孔隙在空间互相连通。
当饱和土体中两点之间存在能量差时，水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。
水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的性质称为土的渗透性。
土的渗透性是土的重要力学性质之一。
在水利工程中，许多问题都与土的渗透性有关。
渗透问题的研究主要包括以下几个方面：1．渗流量问题。
例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算（图2－la 、b ），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C ），以及水井的供水量估算（图2－1d ）等。
渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。
2．渗透变形（或称渗透破坏）问题。
流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，这一作用力称为渗透力。
当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。
渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。
由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。
3．渗流控制问题。
当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，这一工作称为渗流控制。
渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体渗透变形，从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。
因此，研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用，是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。
第二节 土的渗透性一、土的渗透定律—达西定律（一）渗流中的总水头与水力坡降液体流动除了要满足连续原理外，还必须要满足液流的能量方程，即伯努里方程。
在饱和土体渗透水流的研究中，常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。
水头是指单位重量水体所具有的能量。
按照伯努里方程，液流中一点的总水头h ，可用位置水头Z 、压力水头w uγ和流速水头g v 22之和表示，即 1)-(2 22g v uz h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，其量纲为长度。
《土力学》教案——第二章 土的渗透性和渗透问题
教学内容设计及安排第一节达西定律【基本内容】渗透——在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。
渗透性——土具有被水透过的性能。
一、达西定律v =ki =k Lh或用渗流量表示为q =vA =kiA式中 v ――渗透速度，cm/s 或m/d ；q ――渗流量，cm 3/s 或m 3/d ；i =h /L ――水力坡降（水力梯度），即沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次； h ――试样两端的水头差，cm 或m ； L ――渗径长度；cm 或m ；k ――渗透系数，cm/s 或m/d ；其物理意义是当水力梯度i 等于1时的渗透速度； A ――试样截面积，cm 2或m 2。
【注意】由上式求出的v 是一种假想的平均流速，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。
水在土体中的实际平均流速要比达西定律采用的假想平均流速大。
二、达西定律的适用范围与起始水力坡降对于密实的粘土：由于结合水具有较大的粘滞阻力，只有当水力梯度达到某一数值，克服了结合水的粘滞阻力后才能发生渗透。
起始水力梯度――使粘性土开始发生渗透时的水力坡降。
(a ) 砂土 (b ) 密实粘土 (c )砾石、卵石粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系，如图（b ）中的实线所示，常用虚直线来描述密实粘土的渗透规律。
()b i i k v -= (2-3)式中 i b ――密实粘土的起始水力坡降；对于粗粒土中（如砾、卵石等）：在较小的i 下，v 与i 才呈线性关系，当渗透速度超过临界流速v cr 时，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，如图（c ）所示，此时，达西定律不能适用。
第二节 渗透系数及其确定方法【基本内容】一、渗透试验1．常水头试验常水头试验适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。
常水头试验就是在整个试验过程中，水头保持不变。
试验时测出某时间间隔t 内流过试样的总水量V ，根据达西定律At LhkkiAt qt V === 即 hAtVL k =2．变水头试验粘性土由于渗透系数很小，流经试样的总水量也很小，不易准确测定。
土力学第二章土的渗透性及渗流
基坑开挖降水
井点降水
管井降水
2、渗流量的计算问题
水井渗流 Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
2、渗流量的计算问题
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
3、渗流变形的控制问题
土石坝渗流的变形控制 基坑渗流的变形控制 滑坡的渗流稳定问题
降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题
3、渗流变形的控制问题
100
饱和度 sr(%)
温度
粘滞性低
高
渗透系数的换算
k20
kT
T
渗透系数大
二、 渗透系数的测定方法
常水头试验法
室内试验测定方法
变水头试验法
野外试验测定方法 井孔抽水试验
井孔注水试验
（1）常水头渗透试验constant head permeability test
由Darcy定律 v kTi
P2 = γwh1
R + P2 = W + P1
R + γwh1 = L(γ + γw) + γwhw
R = ? R = γL－ γwΔh
静水中的土体
R = γ L
渗流中的土体 R = γ L－ γwΔh
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
总渗透力 J = γwΔh
减少的部分由谁承担？
单位体积的渗透力 j = J/V = γwΔh/L = γwi
可用雷诺数Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜10时层流 Re ＞100时紊流 100＞ Re ＞10时为过渡区
两种特例：
（1）粗粒土：
v
(完整版)第二章土的渗透性和渗流问题要点
第二章 土的渗透性和渗流问题第一节 概 述土是多孔介质，其孔隙在空间互相连通。
当饱和土体中两点之间存在能量差时，水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。
水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的性质称为土的渗透性。
土的渗透性是土的重要力学性质之一。
在水利工程中，许多问题都与土的渗透性有关。
渗透问题的研究主要包括以下几个方面：1．渗流量问题。
例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算（图2－la 、b ），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C ），以及水井的供水量估算（图2－1d ）等。
渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。
2．渗透变形（或称渗透破坏）问题。
流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，这一作用力称为渗透力。
当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。
渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。
由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。
3．渗流控制问题。
当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，这一工作称为渗流控制。
渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体渗透变形，从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。
因此，研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用，是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。
第二节 土的渗透性一、土的渗透定律—达西定律（一）渗流中的总水头与水力坡降液体流动除了要满足连续原理外，还必须要满足液流的能量方程，即伯努里方程。
在饱和土体渗透水流的研究中，常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。
水头是指单位重量水体所具有的能量。
按照伯努里方程，液流中一点的总水头h ，可用位置水头Z 、压力水头w uγ和流速水头g v 22之和表示，即 1)-(2 22g v uz h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，其量纲为长度。
土力学 2土的渗透性与渗透问题
流砂
粉细沙随地下水流入基 坑，产生流砂
在基坑开挖和地下结构施工中，必须防止流砂，以 免发生重大基坑坍塌事故。
流砂形成条件：i < icr : i > icr : i = icr :
土体处于稳定状态 土体发生流土破坏 土体处于临界状态
工程经验判断：
➢粘性土中，渗透力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现 表面隆起变形 ；
γwhw+ γwL + j L= γwh1
P2
结论： 渗透力是一种体积力，
其大小与水力梯度成正比。 其方向与渗透方向一致。
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
二.流砂破坏及其防治
j
w (h1
hw L
L)
w h L
wi
流砂（流土）：渗流力的方向自下而上时，若渗流力大 于向下的重力，土发生浮起、悬浮并随水流移动的现象。
i 1
达西定律 qx k xiH
n
qix k1iH1 k2iH 2 kniH n
i 1
整个土层与层面平
行的等效渗透系数
1n
kx
H
ki Hi
i 1
1
q1x q2x q3x
1 L
2 Δh x
z k1 k2
H1 H2 H
k3 2
H3
不透水层
与土层平行向渗流时，平均渗透系数的大小受渗透系数最大的控制
为防止发生渗透破坏，采取适当的措施，进行控制。 所以：主要内容为：渗透规律、渗透系数测定、工程中渗 透破坏类型及控制。
主要内容
2.1 概述 2.2 土的渗透系数及其确定方法 2.3 土的渗流和流网 （只讲概念） 2.4 渗透破坏与控制
土力学2.土的渗透性与渗透问题.ppt
2.渗透力的计算
考虑水体隔离体的平衡条件，可得：
whw ww J' wh1
whw Lw j'Lwh1
j
w(h1
hw L
L)
wh L
wi
故渗透力
j = j’= w i
从上式可知，渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大
小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。
(二)临界水力坡降
若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增大，从而作用在土体中的 渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下 的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 土体处于流土 的临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土
层状土的渗流
(一)水平向渗流
水平渗流的特点：
(1)各层土中的水力坡降i＝(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
(2)垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层nH的总渗流量等于各层土
渗流量之和，即
qxq1xq2xq3x qix i1
将(二达)竖西直定向律渗代流入上式可得沿水kx平方H1 向in1的ki等Hi效渗透系数kx：
设饱和土体内某一研究平面的 总面积为A，其中粒间接触面积之 和为As ,则该平面内由孔隙水所占 面积为 Aw ＝A－As.若由外荷(和/或 自重)在该研究平面上所引起的法 向总应力为,如图所示，那么，它 必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同来分担，即该面上的总法向 力等于孔隙水所承担的力和粒间所 承担的力之和，于是可以写成：
(一)渗透系数的测定方法
渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。
1．实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大
土力学第二章土的渗透性和渗透问题
§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
《土质学与土力学》 第2章 土的渗透性
Teton 坝损失损失：：直接直接800080008000万美元万美元万美元，，起诉55005500起起，2.52.5亿美元亿美元亿美元，，死1414人人，受灾受灾2.52.52.5万万人，6060万亩土地万亩土地万亩土地，，3232公公里铁路原因原因：：管涌土坝土坝位于美国位于美国Idaho 州Teton 河上河上，，防洪防洪、、灌溉灌溉、、发电发电、、旅游综合利用旅游综合利用，，装机16MW ，最大坝高126.5m ，坝顶长945m 。
建于建于197219721972--7575年年,75,75年年1111月开始蓄水月开始蓄水月开始蓄水，，7676年春年春洪水期间水位迅速上升洪水期间水位迅速上升，，达1.21.2m/d m/d m/d。
6月5日上午日上午11:5511:5511:55发发生溃坝生溃坝。
下图是现在的景象Teton坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。
Teton坝1111：：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加Teton Teton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。
流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。
11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。
Teton Teton坝坝11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton Teton坝坝12：00过后坍塌口加宽Teton Teton坝坝洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton Teton坝坝失事现场目前的状况Teton Teton坝坝水头梯度又称水力梯度、水力坡降。
三、渗透系数及其确定方法渗透试验渗透试验（（室内室内））AtLhk kiAt qt V ===时间t 内流出的水量hAtVL k =1.1.常水头试验常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大适用于透水性大（（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土例如砂土。
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第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
? 土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。当 饱和土中的两点存在能量差 时，水就在土的孔隙中从能 量高的点向能量低的点流动
渗流 土颗粒 土中水
? 水在土体孔隙中流动的现象称为 渗流 ? 土具有被水等流体透过的性质称为土的 渗透性
Darcy 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。
V ? k ?i
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
h1 L
水力坡降： i ? ? h ? h1 ? h2
h2
LL
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
土体中的渗流
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水在土体孔隙中流动的现象
渗流
土体被水透过的性能
渗透性
渗透特性 强度特性 变形特性
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
土的渗透性研究主要包括以下三个方面
? 渗漏 (渗流量问题) 因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。 如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。
A
B L
基准面
渗流问题的水头
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
?
A点总水头：hA
?
zA
?
uA
?w
?
B点总水头： hB
?
zB
?
uB
?w
? 二点总水头差：反映了
两点间水流由于摩阻力
造成的能量损失
uA ?w
hA zA
水力坡降线
A
B L
基准面
Δh
uB
?w hB zB
?h ? hA ? hB
土坡稳定分析
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
? 水头与水力坡降 ? 土的渗透试验与
达西定律
? 渗透系数的测定
及影响因素
? 层状地基的等效
渗透系数
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性 一维渗流计算
土的渗透性与渗透规律
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
uB ?w
u0? pa
B
静水 A zB
0 基准面
? 位置水头： 到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
uA ? 压力水头： 水压力所能引起的自由
?w
水面的升高，表示单位重量液体所
具有的压力势能
? 测管水头： 测管水面到基准面的垂
zA
直距离，等于位置水头和压力水头
0
之和，表示单位重量液体的总势能
? 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失
i? ?h L
水力坡降
第二章 土的渗透性
§2.2 土的渗透试验和达西定律
一．Darcy定律
水在土中渗透的基本规律
二．Darcy定律的适用范围
三．渗透试验简介
四．影响渗透系数的因素 五．层状地基的等效渗透系数
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 一. Darcy定律
质量 m 压力 u 流速 v
0 基准面
u ?w
z
0
? 位置势能： mgz
? 压力势能： ? 动能： ? 总能量：
mg ? u ?w
1 mv2 2 E ? mgz ? mg ? u ? 1 mv2
?w 2
? 单位重量水流的能量：
h ? z ? u ? v2 ?w 2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
滑 坡
溃 坝
管 涌
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
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
透水层
渗流量 渗透变形
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
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
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
水井渗流
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
板桩墙 基坑
A
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
渗流中的水头与水力坡降
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
? 总水头： 单位重量水体所具有的能量 h ? z ? u ? v2
? 渗透稳定(渗透变形问题): 土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成 败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。
? 渗流控制问题： 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采 取工程措施进行渗流控制。
渗流模型： 1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主 要流向；
2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒 所占的空间之和均为渗流所充满。
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
A
n ? Av A
A > Av
Av
Q＝VA ＝ VsA
v
?
vs
?
v n
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律 二. 达西定律适用条件
可以用粒径来描述Darcy定律的范围
层流（线性流） ——大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较 重的黏性土
?w 2g
? 位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） ? 压力水头u/?w：水体的压力势能（u孔隙水压力） ? 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
? 渗流的总水头： h ? z ? u ?w
也称测管水头，是渗流的
总驱动能，渗流总是从水 头高处流向水头低处
uA ?w
hA zA
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
渗流滑坡
渗流滑坡
第二章 土中水的运动规律 §2.1概述
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
渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 体中各点的测管水头相等
位置、压力和测管水头
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
水往低处流
位置： 使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
速度v
水往高处“跑”
压力u
流速： 水具有的动能 压力： 水所具有的压力势能
也可使水流发生流动
水流动的驱动力
第二章 土中水的运动规律 §2.2 土的渗透试验和达西定律
两种特例
上限：粗粒土 v>vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr= 0.3-0.5cm/s