土力学-第三章土的渗透性及渗流

PA γw
hA
Δh A
PB
γw hB
速度，v
ZA
B
ZB
L
A、B两点的水头差为： hhAhB(P AZA)(P BZA)
w
w
水力梯度i：在含水层中沿水流方 向每单位距离的水头下降值。
在大多数情况下，土中水的渗流基 本处于层流状态，即
i h L
vi
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3.2.2 土的层流渗透定律
样的水量
dQ=－adh
在时段dt内流经试样的水量
dQ=kiAdt=kAh/Ldt
截面积为A
管内减少水量＝流经试样水量
k＝2.3Ata2 Lt1lghh12
－adh=kAh/Ldt
分离变量 分
积
k＝Ata2 Lt1lnhh12
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3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
2.现场测定渗透系数
h v2 p z
2g w
h—总水头，m； v—流速，m/s；
p—水压，kPa； γw—水的重度，kN/m3；
g—重力加速度，m/s2； z—基准面高程，m
水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则
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水头
h p z
w
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3.2.1 渗流的基本概念
土力学
以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速
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3.2.3 渗透试验及渗透系数
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。
土力学
层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。
达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系
的渗流规律
达西根据实验发现，单位时间内的渗
出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正
比，且与土的透水性质有关
q Ah
L
写成等式（达西定律表达式）
Δ
h1
q kAi 或 v q ki A
时间t内流出的水量 QqtkiAtkhAt L
Δ
截面积 为A
k QL hAt
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3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
（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
h h1
h2
k＝q
ln(r2 / r1) h22 h12
k＝2.3q
lg(r2 /r1) h22 h12
现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等
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3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
3.影响渗透系数的主要因素 （1）土的粒度成分
细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土 的渗透系数就会大大减小。
式中：q—单位渗水量，cm3/s； v—断面平均渗流速度，cm/s； i—水力梯度或水力坡降； k—土的渗透系数，cm/s
h2
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3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
达西定律
vki
v
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系
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
达西定律适用于层 流，不适用于紊流
v=ki
O 砂土 v
i
虚直线简化
0
起始水
ib
力坡降
vk(iib)
密实粘土 i
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3.2.2 土的层流渗透定律
土力学
公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所 占的部分面积在内，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积
A假r想是平小均于流整速个。断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为
土力学
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3.2 土的渗透性
3.2.1 渗流的基本概念 3.2.2 土的层流渗透定律 3.2.3 渗透试验及渗透系数
土力学
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3.2.1 渗流的基本概念
土力学
水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。
式中：
水头
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3.1 概述
土力学
土的渗透性的主要研究内容包括： ❖ 渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝
基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。
❖ 渗透破坏问题：当渗透力过大时就会引起土颗粒或 土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边 坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。
❖ 渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满 足渗流量或渗透变形的设计要求。
水在土体中的渗流的影响： ❖ 引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益 ❖ 引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影
响工程安全。 土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一
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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
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/d则r q=kAi=2πrhkdh/dr
dr d
qdr/r=2πkhdh
分离变量积分
h
3.1 概述
土力学
在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水 位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能 量高）的位置向水们低（即能量低）的位置流动。
❖ 渗透:液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中 透过的现象
❖ 渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过 的性质
❖ 渗流：液体（如地下水、地下石油）中的流动问题 ❖ 渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力
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
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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
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