第三章 土的渗透性与渗流

2009---1 判断题
28.达西定律中的渗透速度并非水在土的 孔隙中流动的实际平均流速。( )
第四节 渗透力及渗透变形
一、渗透力（动水力）
试验观察
渗透力
渗透变形
▪Δh=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。
▪Δh>0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同 时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。 ▪渗透力 j ——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力， 方向与渗流方向一致。

2011---1 单选
5.产生流土现象的充分必要条件是( ) A.渗流方向向下且水力梯度小于临界水力梯度 B.渗流方向向下且水力梯度大于临界水力梯度 C.渗流方向向上且水力梯度小于临界水力梯度 D.渗流方向向上且水力梯度大于临界水力梯度
2010---1 名词解释
36.流土
总应力由土骨架和土体孔隙共同承受
有效应力σʹ：由地基土固体颗粒骨架 传递的应力；
孔隙水应力u：通过孔隙中的水来传递
的应力。
一、饱和土体的有效应力原理
Terzaghi （1923） 有效应力原 理固结理论
饱和土体内任一平面上受到的总 应力可分为两部分σʹ和u，并且
'u
1. 对所受总应力，土骨架和土体孔隙如何分担？ 2.它们如何传递和相互转化？ 3.它们对土的变形和强度有何影响？
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
n Av A
A > Av
Q＝VA ＝ VsAv
v

vs

v n
适用条件
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
粗粒土： 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 粘性土： 致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
考核知识点
1、渗透力 2、渗透变形（流砂和管涌产生条件和发
生部位） 3、有效应力原理（利用此原理解释砂土
液化）
2012---1 填空
15.饱和土体中的有效应力原理的公式表 达式为______。
2012---1 判断
28.管涌现象发生于土体表面渗流逸出处， 流砂现象发生于土体内部。( )
2010---1 填空题
15.室内测定土的渗透系数有多种方法，其中 变水头试验适用的土类是__________土。
2010---1 判断题
28.达西定律不仅适用于层流状态，也适 用于紊流状态。( )
2009---1 单选题
5.在测定渗透系数k的常水头试验中，饱和土样
截面积为A，长度为l，流经土样的水头差为Δh，
流体特性
水的动力粘滞系数（水温） 饱和度（含气量）
—对k影响很大，封闭气泡
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
连续性条件： dVe=dVo
-adh =k (Δh/L)Adt
dt aL dh kA h
t dt aL h2 dh
0
k A h1 h
t aL ln h1 kA h2
k aL ln h1 At h2
▪结果整理:
选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应的k，取平均值
积A=25cm2，水头差Δh=0.2m， 土样的土粒密度(比重)Gs=2.6， 孔隙比e=0.80。
(1)计算作用在土样上的动水力 (渗透力)大小及其方向；(2分)
(2)若土样发生流砂(流土)现象， 其水头差Δh至少应为多少?(2分)
渗透压力 渗流量 渗透变形
第二节 土的渗透性
一．渗流中的水头与水力坡降
能量方程
二．渗透试验与达西定律
渗流速度的规律
三．渗透系数的测定及影响因素
渗透特性
一、渗流中的水头与水力坡降
基坑
透水层 不透水层
A
B L
总水头： h z u
w
z：位置水头
A点总水头：
h1

zA

uA w
B点总水头：
2012---1 单选
5.达西渗透定律适用的范围是( ) A.片流
B.渗流 C.层流
D.紊流

2012---1 简答题
39.影响土渗透性的主要因素有哪些?
2011---1 填空
15.地下水的流动状态分为层流和紊流， 达西定律适用于__ 状态。
2011---1 计算题
40.对某砂土进行常水头渗透试验，已知该 砂土的渗透系数k=0.03cm／s，试样长度 l=15cm，试样上下两端的水头差h=45cm， 求水在土中的渗透速度。(5分)
R = γ’L
渗流中的土体
P1 W
P2
A=1
R
ab
贮水 器 hw
Δh h1
L土
0
样
h2
0
滤网
W = Lγsat＝L(γ’ + γw) P1 = γwhw
P2 = γwh1 R + P2 = W + P1 R + γwh1 = L(γ’ + γw) + γwhw
R=?
R = γ’L－ γwΔh
静水中的土体 R = γ’L 渗流中的土体 R = γ’L－ γwΔh
二、临界水力梯度
临界水力坡降
icr = γ’ /γw
(Gs 1)w 1e
d icr

ds 1 1 e
Fra Baidu bibliotek
1 1 n
s
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。
Q=V/T
Q A h L
断面平均流速 v Q 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
单位时间水流通过试样的流量Q稳定后，量测经
过时间t内流经试样的水体积为V，则土样的渗透
系数k为( A. Qh
Alt
) B. Ql
Ath
C. Vh
D. Vl
Alt
Ath
2009---1 填空题
15.渗透定律的适用范围主要与渗透水流 在土中的流动状态有关，达西定律只适 用于________的条件。
i i icr
Fs
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
防治管涌
改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降
第五节 渗流情况下的孔隙水压力
与有效应力
一、饱和土体的有效应力原理
土中孔隙
三相体系
土＝固体颗粒骨架 + 孔隙水 + 孔隙气体
受外荷载作 用
总应力
ab
贮水器 hw L
0
土样
Δh h1
h2
0 滤网
土水整体分析
ab
静水中的土体
P1
W
P2 R
贮水器
hw
L 土样
h2
0 A=1
0 滤网
W = Lγsat＝L(γ’ + γw) P1 = γwhw
R + γwh2 = L(γ’ + γw) + γwhw
P2 = γwh2 R=?
R + P2 = W + P1
2010---1 计算题
40.某工程基坑中，由于抽水引起水流由 下往上流动，若水流路径50cm，水头差 为60cm，土的饱和重度=20.2kN／m3， 问是否会产生流砂(流土)?(4分)
2009---1 名词解释
36．管涌
2009---1 计算题
40.在下图所示容器中的土样，受 到水的渗流作用。已知土样高度 l=0.4m，土样横截面面
的粗颗粒形成大于细 粒直径的孔隙
外因——渗透力足够大
管涌破坏
流土与管涌的比较
现象 位置 土类 历时 后果
流土
管涌
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
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
k VL Aht
适用土类：透水性较大的砂性土
对于透水性较小的粘性土， 应采用变水头试验法
➢ 室内试验方法2—变水头试验法
▪试验装置：如图
▪试验条件: Δh变化，A，L=const ▪量测变量: Δh ，t
▪理论依据:
t时刻： Δh
dh Δt
流入量：dVe= - adh 流出量：dVo=kiAdt=k (Δh/L)Adt
渗流
坝体 粘性土k1<<k2
砂性土k2
原因：
W J 0 i icr
icr


Gs 1 — —和土的密实程度有关 1 e
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
2013---1 判断题
15.室内测定土的渗透系数试验方法中， 变水头试验适用于测定透水性强的无粘 性土。（ ）
16.达西定律是指土中渗流的平均渗透速 度与水力梯度呈线性关系。（ ）
2013---1 简答题
39.简述影响土渗透性的因素?
2013---1 计算题
40.对某细砂进行常水头渗透试验，土样高 度为10cm，直径为5.0cm，水头差为50cm， 经测定在8.0S内渗透水质量为450g，试求 此条件下该细砂的渗透系数K。(5分)
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
总渗透力 J = γwΔh
水与土之间的作用力－渗流的拖曳力
渗透力
j = J/V = γwΔh/L = γwi
j = γwi
---体积力
渗透力的性质
物理意义： 单位土体内土骨架所受到的渗透水流
的拖曳力，它是体积力
大小： j = γwi 方向：与渗流方向一致 作用对象：土骨架

2012---1 计算题
40.在某细砂层中开挖基坑，施 工时采用井点法降水，实测稳定 水位情况如下图所示。细砂层饱 和重度，γsat=19kN／m3，渗 透系数k=4.0×l0-2mm/s，渗流 路径的长度近似取10.0m。试求 土中渗流的平均速度v和渗透力 J，并判断该基坑是否会产生流 砂现象(容许水头梯度等于临界 水头梯度除以2.5)。(5分)
v vcr o
v
i0
v k im (m 1)
i
i
三、渗透系数的测定及影响因素 1. 测定方法 室内试验测定方法 常水头试验法
变水头试验法
室内试验方法1—常水头试验法
▪试验装置：如图 ▪试验条件: Δh，A，L=const
▪量测变量: V，t
▪结果整理
V=Qt=vAt v=ki i=Δh/L
室内试验方法
条件 已知 测定 算定 取值 适用
常水头试验
Δh=const Δh，A，L
V，t k VL
Aht
重复试验后，取均值
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t k aL ln h1
At h2
不同时段试验，取均值
粗粒土
粘性土
2.影响因素
土粒特性
粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构和构造
第三章
土的渗透性与渗流
概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水、气等在土体孔隙中流动的现象
渗流
土具有被水、气等液体透过的性质
渗透性
渗透特性 强度特性 变形特性
非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性
石坝坝基坝身渗流
石坝
浸润线
透水层
不透水层
渗流量 渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层
不透水层
破坏过程相对较长
导致下游坡面产生局部滑动等 导致结构发生塌陷或溃口
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
经验判断：
i i icr
Fs
[ i ] : 允许坡降
Fs: 安全系数1.5～2.0
3. 防治措施
防治流土
h2

zB

uB w
uA w
h1 zA
0
A
B L
基准面
Δh
uB
w h2 zB
0
水力坡降： i h
L h1 h2 h
二、渗透试验与达西定律
1.渗透试验
▪试验前提：层流 ▪试验装置：如图 ▪试验条件: h1，A，L=const
▪量测变量: h2，V，T ▪试验结果
Δh=h1-h2