土的渗透性及渗透力
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h22 h12
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
抽水量Q 井
观察井
r2 r r1
dr dh
Βιβλιοθήκη Baidu
h1 h
h2
不透水层 （完整井）
9
3.3 渗透力及渗透破坏
3.3.1 渗流力（动水力）
定义：当土中发生向下或向上的渗流时， 渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相 同的体积力，使土骨架应力相应地增加或 减小，此体积力称为渗流力，用J表示。
土的渗流试验简图
11
单位渗流力：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,
用j表示，单位为kN/m3
当h1=h2时，无渗流发生 当h1>h2时，向上渗流 当h1<h2时，向下渗流
饱和土体中渗流力计算
' B
(
'
L
wh)
z L
(
'
wi)
z
(
'
j)z
单位渗流力： j w i
12
3.3.2 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
13
（1）流土（流砂）
－－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
坝体 体 粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因：
' ( ' j)z j ' 或 wi '
icr
Gs 1 — — — 和土的密实程度有关 1 e
14
形成条件
i < icr : 土体处于稳定状态 i > icr : 土体发生流土破坏 i = icr : 土体处于临界状态
改善水力条件：减小渗透坡降
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
20
流土与管涌的比较
流土
管涌
现象 位置
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
土类 只要渗透力足够大，可发 生在任何土中
历 时
后果
破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等
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
21
3.4 有效应力原理及计算
3.4.1 有效应力的基本概念
粒间应力（interparticle stress） ——由土骨架颗粒间接触点传递的应力。
有效应力（effective stress） ——对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。
3 土的渗透性及渗透力
1
目录
3.1 土的渗透性及渗透定理 3.2 渗透系数的测定 3.3 渗透力及渗透破坏 3.4 有效应力原理及计算
2
3.1 土的渗透性及渗透定理
3.1.1 土的渗透性
——土可以被水透过的性质称为渗透性。
渗 流 滑 坡
3
3.1.2 土的渗透定理
层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。
经验判断：
i i icr
Fs
[ i ] : 允许坡降
Fs: 安全系数2.0～2.5
15
（2）管涌
－－在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒 所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。
管涌
原因：
内因—有足够多的粗颗粒形 成大于细粒直径的孔隙
管涌破坏
外因—渗流力足够大
试样顶部水头随时间变化，作用 于试样两端的水头差h在试验过程 中是变化的。
k aL ln h1 At h2
自学推导过程
8
3.2.2 现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
q Aki 2rh k dh
A=2πdrhr q
i=dh/dr
2khdh
dr
r
q ln r2 r1
k(h22
h12 )
k q ln(r2 / r1 )
5
适用条件： 大部分砂土，粉土；
达西定律的基本假定： 疏松的粘土及砂性较重的粘性土
（1）采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流 速。实际流速要比平均流速大。
（2）采用了以土样长度为渗径的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正 水力梯度。
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度 6
3.2 渗透系数的测定
16
无粘性土 发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：
土的孔隙平均直径 D0 0.25d20
d20——小于该粒 径的土质量占总 质量的20%
A. Cu 10的比较均匀的土 B. Cu 10的不均匀土
(a) 级配不连续的土 细料含量 35% 细料含量 25% 细料含量 25 — 35%
3.2.1 室内渗透试验
1.常水头试验
适用范围：透水性强的无粘性土
试验装置：如图示
试验特点：
水在常水头差h的作用下流过试样
试验方法：
测量对应于某一时段t，流经试样的水量
Q Q=vAt
v=ki i=h/L
k QL Aht
7
1.变水头试验
适用范围：渗透性很小的粘性土。 试验装置：如图示 试验特点：
渗透模型
4
层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律
－－达西定律（1896年）
大量试验结果，发现土中单位时间渗流量q 与土样断面积A及试样两端面的水头差i成 正比，而与流过的土样长度L成反比，即
q k A h k Ai L
则
v q k h k i
A
L
达西定律
渗透系数的物理意义——单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。 反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定。
涌。
水力坡降
级配连续土
破坏坡降icr 允许坡降[i]
0.2—0.4 0.15—0.25
级配不连续土 0.1—0.3 0.1—0.2
18
19
防治措施
防
i h i icr
治
L
Fs
流 土
减小i ：上游延长渗径 下游减小水压
增大[i]：下游增加透水盖重
改善几何条件：设反滤层等， 防 反滤层为级配较均匀的砂子和砾 治 石层，能保护细颗粒不被带走， 管 同时也具有较大的透水性 涌
(b) 级配连续的土
D0 d3 D0 d5 D0 d3 — d5
非管涌土
非管涌土 管涌土 过渡型土
非管涌土 管涌土 过渡型土
17
发生管涌的水力条件——外因
试验测定方法：
改变试样底部的水头高度。
现象:试样中细小土粒移动。
b图中：
从C点开始，水力梯度稍有
增加，渗流速度就会急剧加
大，说明试样中发生了管
渗流力
渗流变形
10
在稳定渗流情况下，饱和土体中的土骨架应力和孔隙水应 力与静水条件中的不同
1. 试验装置：可产生垂直渗 流的试验装置，如图所示。
2. 试验假设
土是均匀的，土中的渗流 不论向上还是向下，土中 的水头损失沿渗流方向都 是均匀变化的，即假设渗 流引起的应力改变量沿渗 流方向是直线变化的。
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
抽水量Q 井
观察井
r2 r r1
dr dh
Βιβλιοθήκη Baidu
h1 h
h2
不透水层 （完整井）
9
3.3 渗透力及渗透破坏
3.3.1 渗流力（动水力）
定义：当土中发生向下或向上的渗流时， 渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相 同的体积力，使土骨架应力相应地增加或 减小，此体积力称为渗流力，用J表示。
土的渗流试验简图
11
单位渗流力：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,
用j表示，单位为kN/m3
当h1=h2时，无渗流发生 当h1>h2时，向上渗流 当h1<h2时，向下渗流
饱和土体中渗流力计算
' B
(
'
L
wh)
z L
(
'
wi)
z
(
'
j)z
单位渗流力： j w i
12
3.3.2 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
13
（1）流土（流砂）
－－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
坝体 体 粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因：
' ( ' j)z j ' 或 wi '
icr
Gs 1 — — — 和土的密实程度有关 1 e
14
形成条件
i < icr : 土体处于稳定状态 i > icr : 土体发生流土破坏 i = icr : 土体处于临界状态
改善水力条件：减小渗透坡降
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
20
流土与管涌的比较
流土
管涌
现象 位置
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
土类 只要渗透力足够大，可发 生在任何土中
历 时
后果
破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等
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
21
3.4 有效应力原理及计算
3.4.1 有效应力的基本概念
粒间应力（interparticle stress） ——由土骨架颗粒间接触点传递的应力。
有效应力（effective stress） ——对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。
3 土的渗透性及渗透力
1
目录
3.1 土的渗透性及渗透定理 3.2 渗透系数的测定 3.3 渗透力及渗透破坏 3.4 有效应力原理及计算
2
3.1 土的渗透性及渗透定理
3.1.1 土的渗透性
——土可以被水透过的性质称为渗透性。
渗 流 滑 坡
3
3.1.2 土的渗透定理
层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。
经验判断：
i i icr
Fs
[ i ] : 允许坡降
Fs: 安全系数2.0～2.5
15
（2）管涌
－－在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒 所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。
管涌
原因：
内因—有足够多的粗颗粒形 成大于细粒直径的孔隙
管涌破坏
外因—渗流力足够大
试样顶部水头随时间变化，作用 于试样两端的水头差h在试验过程 中是变化的。
k aL ln h1 At h2
自学推导过程
8
3.2.2 现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
q Aki 2rh k dh
A=2πdrhr q
i=dh/dr
2khdh
dr
r
q ln r2 r1
k(h22
h12 )
k q ln(r2 / r1 )
5
适用条件： 大部分砂土，粉土；
达西定律的基本假定： 疏松的粘土及砂性较重的粘性土
（1）采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流 速。实际流速要比平均流速大。
（2）采用了以土样长度为渗径的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正 水力梯度。
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度 6
3.2 渗透系数的测定
16
无粘性土 发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：
土的孔隙平均直径 D0 0.25d20
d20——小于该粒 径的土质量占总 质量的20%
A. Cu 10的比较均匀的土 B. Cu 10的不均匀土
(a) 级配不连续的土 细料含量 35% 细料含量 25% 细料含量 25 — 35%
3.2.1 室内渗透试验
1.常水头试验
适用范围：透水性强的无粘性土
试验装置：如图示
试验特点：
水在常水头差h的作用下流过试样
试验方法：
测量对应于某一时段t，流经试样的水量
Q Q=vAt
v=ki i=h/L
k QL Aht
7
1.变水头试验
适用范围：渗透性很小的粘性土。 试验装置：如图示 试验特点：
渗透模型
4
层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律
－－达西定律（1896年）
大量试验结果，发现土中单位时间渗流量q 与土样断面积A及试样两端面的水头差i成 正比，而与流过的土样长度L成反比，即
q k A h k Ai L
则
v q k h k i
A
L
达西定律
渗透系数的物理意义——单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。 反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定。
涌。
水力坡降
级配连续土
破坏坡降icr 允许坡降[i]
0.2—0.4 0.15—0.25
级配不连续土 0.1—0.3 0.1—0.2
18
19
防治措施
防
i h i icr
治
L
Fs
流 土
减小i ：上游延长渗径 下游减小水压
增大[i]：下游增加透水盖重
改善几何条件：设反滤层等， 防 反滤层为级配较均匀的砂子和砾 治 石层，能保护细颗粒不被带走， 管 同时也具有较大的透水性 涌
(b) 级配连续的土
D0 d3 D0 d5 D0 d3 — d5
非管涌土
非管涌土 管涌土 过渡型土
非管涌土 管涌土 过渡型土
17
发生管涌的水力条件——外因
试验测定方法：
改变试样底部的水头高度。
现象:试样中细小土粒移动。
b图中：
从C点开始，水力梯度稍有
增加，渗流速度就会急剧加
大，说明试样中发生了管
渗流力
渗流变形
10
在稳定渗流情况下，饱和土体中的土骨架应力和孔隙水应 力与静水条件中的不同
1. 试验装置：可产生垂直渗 流的试验装置，如图所示。
2. 试验假设
土是均匀的，土中的渗流 不论向上还是向下，土中 的水头损失沿渗流方向都 是均匀变化的，即假设渗 流引起的应力改变量沿渗 流方向是直线变化的。