土力学第3章

• 排列致密，密度>1g/cm3 • 冰点处于零下几十度 • 完全不能移动，具有固体的特性 • 温度略高于100°C时可蒸发
- 弱结合水：
• 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
引力
强结合水 弱结合水 自由水
阳离子 水分子
d
土中水 – 结合水
§ 3.2土的毛细性
已知
H1,H2 ...;k1...
H1,H2 ...;k1,k2 ...
等效
q khiH
公式
kh
ki Hi H
v
kvi
kv
h H
kv
H Hi
ki
成层土的渗透系数
§3.3 土的渗透性
几个问题
渗流模型 土中水渗透的基本规律 土的渗透系数 影响土渗透性的一些因素 动水力及渗流破坏
§ 3.3 土的渗流性
§3.3 土的渗流性
对致密的粘性土，存在起始水力坡降I0
v kI I0
v
砂土
粘性土
0
I0
I
达西定律的适用范围
§3.3 土的渗透性
几个问题
渗流模型 土中水渗透的基本规律 土的渗透系数 影响土渗透性的一些因素 动水力及渗流破坏
§3.3 土的渗流性
室内试验方法 野外试验方法
• 常水头试验法 • 变水头试验法
§3.3 土的渗流性
达西定律：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
渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为 水力坡降i＝1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day
渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想
渗流速度
v
vs
第三章：土中水的运动规律
§3.1 概述 §3.2 土的毛细性 §3.3 土的渗透性 §3.4 流网及其应用 §3.5 土在冻结过程中水分的迁移和积聚
§3.3 土的渗透性
两个概念
渗透性
渗流
土能让水等流体通过的性质
在水头差作用下，土体中的 自由水通过土体空隙通道流 动的特性
§3.3 土的渗透性
渗透系数的影响因素
§ 3.3 土的渗流性
土的性质 • 粒径大小及级配 • 矿物成分 • 结合水膜的厚度 • 结构
水的性质
粘土中若土粒的结合水膜厚度 较厚时，会阻塞土的空隙，降 低土的渗透性。
如钠粘土，由于钠离子的存在， 使粘土颗粒的扩展层厚度增加， 所以透水性很低。
如在粘土中加入高价离子的电 解质会使土粒扩展层厚度减薄， 粘土颗粒会凝聚成粒团，土的 空隙因而增大，这也将使土的 渗透性增大
界面张力
界面张力
收缩膜 内压 > 外压
液体1
液体2
§ 3.2土的毛细性
空气 qa
qw 水
固体
ua-uw
q =湿润角 =界面张力 2r=毛管直径 ua-uw =压力差
2r
毛管中流体的界面效应
§ 3.2土的毛细性
毛 细 管
hc
r2hcw=2rcosq
T
上升高度
2 cosq hc r
毛细升高与孔径成反比
• 井孔抽水试验 • 井孔注水试验
渗透系数的测定方法
§ 3.3 土的渗流性
试验条件: ΔH，F，l=const 量测变量: 体积Q，t
Q=qt=kIFt I=ΔH/l
H
k Ql
土样
l
HFt
F
Q
适用土类：透水性较大的砂性土
V
室内试验方法-常水头试验法
§ 3.3 土的渗流性
试验条件:ΔH变化 F，a，l=const
若不设观测井
➢无压非完整井（抽水井井底未钻至不透水层）
kq
ln( R / r0 )
H
h2
h02
1
0.3
10r0 H
sin
1.8h H
现场测定法－抽水试验
§ 3.3 土的渗流性
水平渗流情形
垂直渗流情形
条件
q qi ; H H i;
Ii
I
H l
q qi F Fi
H Hi
• 水头损失△H：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失
H HA HB
• 水头梯度 I：单位渗流长度上的水头损失
I H l
§3.3 土的渗流性
h1 h2
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
q F H l
或： q kIF
v q kI F
Q
L
Q
A
透水石
达西渗透试验
事故实例
降雨入渗引起的滑坡
§3.1 概述- 土渗流特性
• 挡水建筑物 • 集水建筑物 • 引水结构物 • 基础工程 • 地下工程 • 边坡工程
渗透特性 变形特性 强度特性
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
土的渗透特性
第三章：土中水的运动规律
§3.1 概述 §3.2 土的毛细性 §3.3 土的渗透性 §3.4 流网及其应用 §3.5 土在冻结过程中水分的迁移和积聚
§3.2 土的毛细性
结晶水 结合水 自由水
矿物内部的水 吸附在土颗粒表面的水 电场引力作用范围之外的水
土中冰 由自由水冻成，冻胀融沉 水蒸气 存在孔隙空气中
土中水
§ 3.2土的毛细性
结合水：受颗粒表面电场作用力
粘土
吸引而包围在颗粒四周，不传递静水
颗粒
压力，不能任意流动的水
- 强结合水：
§ 3.3 土的渗流性
条件 已知 测定 公式 取值 适用
常水头试验
ΔH=const ΔH，F，l
v，t
k vl FHt
重复试验后，取均值
粗粒土
变水头试验
ΔH变化 a，F，l ΔH，t
k al ln H1 Ft H2
不同时段试验，取均值
粘性土
室内试验方法–小结
§ 3.3 土的渗流性
试验条件: Q=const
• 连续性条件：dQe=dQo
H t=t2
-adh =k (ΔH/l)Fdt
dt al dH
H2
kF H
水头
t dt al H2 dH
0
kF H1 H
t al ln H1 Q 土样 l kF H2
测管 开关
k al ln H1
F
Ft H2
选择几组量测结果 ，计算相应的k，取平均值
室内试验方法-变水头试验法
不透水层
工程实例
板桩围护下的基坑渗流
§3.1 概述- 渗流问题
天然水面
透水层 不透水层
Q 渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？
水井渗流
§3.1 概述- 渗流问题
原地下水位
渗流时地下水位
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 地下水影响
范围？
渠道、河流渗流
§3.1 概述- 渗流问题
渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？
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
土体中的渗流
§3.1 概述- 渗流问题
防渗体
坝体 浸润线
透水层 不透水层
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？
工程实例
土石坝坝基坝身渗流
§3.1 概述- 渗流问题
板桩墙
基坑
透水层
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？
抽水量Q
r2
r1
观察井
抽水井
h1
h2
不透水层
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
现场测定法－抽水试验
§ 3.3 土的渗流性
➢无压完整井（抽水井井底钻至不透水层）
k
q
ln( r2 / r1) h22 h12
k
q
ln( R / r0 ) H 2 h02
h2
0 滤网
动水力GD：水流作用在单位土体中土颗 粒上的力称为动水力GD，也称渗流力， 作用方向与水流方向一致
几个问题
渗流模型 土中水渗透的基本规律 土的渗透系数 影响土渗透性的一些因素 动水力及渗流破坏
§3.3 土的渗透性
渗流模型
简化：
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
空间之总合均为渗流所填满
通常所说流
模型平均流速 v q
F
真实渗流流速
渗透系数的影响因素
§ 3.3 土的渗流性
土的性质 • 粒径大小及级配 • 矿物成分 • 结合水膜的厚度 • 结构
水的性质
对卵石、砂土和粉土的渗透性影 响不大
对粘土的渗透性影响较大，粘性 土中含有亲水性较大的粘土矿物 （如蒙脱石）或有机质时，由于 它们具有很大的膨胀性，就大大 降低土的渗透性。含有大量有机 质的淤泥几乎是不透水的
土的性质 • 粒径大小及级配 • 矿物成分 • 结合水膜的厚度 • 结构
水的性质
影响土中空隙大小及形状，因 而影响土的渗透性。土颗粒越 粗、越均匀时，渗透性就越大。
因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。砂土 中含有较多粉土及粘土颗粒时， 其渗透性就大大降低
第三章：土中水的运动规律
§3.1 概述 §3.2 土的毛细性 §3.3 土的渗透性 §3.4 流网及其应用 §3.5 土在冻结过程中水分的迁移和积聚
§3.1 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
v n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律
§3.3 土的渗流性
适用条件：层流（线性流动）
岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属 层流范围
水 2.0
力
坡 降
1.5
1.0
0.5
达西定律 适用范围
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h)
达西定律的适用范围
v0
q F
速均指模型平均 流速
q 单位时间内通过截面积F的渗流流量
F 过水断面面积 F F中所包含的孔隙面积
§3.3 土的渗透性
几个问题
渗流模型 土中水渗透的基本规律 土的渗透系数 影响土渗透性的一些因素 动水力及渗流破坏
§3.3 土的渗透性
土的层流渗流定律
➢伯努利方程 渗流总是从能量高处向能量低处流动
《土质学与土力学》之第三章
土中水的运动规律
尹平保
第三章：土中水的运动规律
本章提要
• 土的渗透性和渗透规律 • 平面渗流及流网 • 动水力与渗透破坏
本章特点 • 有严格的理论（水流的一般规律）
• 有经验性规律（散粒多孔介质特性）
学习要点 • 注意对物理概念和意义的把握
• 注意把握土是散粒多孔介质这一特点
粘土
粉土
砂土
2r
砾石
土中毛细水上升高度
§ 3.2土的毛细性
r 弯液面 空气 水 固体颗粒
在非饱和土中，孔隙中含
有水和气，此时水多集中 于颗粒间的缝隙处，称毛 细角边水。
由于毛细张力的作用，会
形成如图所示的弯液面， 使毛细角边水产生负压力， 颗粒则受正压力。
这是稍湿的砂土颗粒间存
在假凝聚力的原因
土颗粒缝隙处的弯液面
自由水：不受颗粒电场引 力作用的孔隙水
- 毛细水：由于土体孔隙的毛细 作用升至自由水面以上的水。 毛细水承受表面张力和重力的 作用
- 重力水：自由水面以下的孔隙 自由水，在重力作用下可在土 中自由流动
毛细水
hc
重力水
土中水 – 自由水
§ 3.2土的毛细性 水蜘蛛
仰泳的 水蜘蛛
生活在水面收缩膜 顶面和地面的昆虫
渗透系数的影响因素
§ 3.3 土的渗流性
土的性质 • 粒径大小及级配 • 矿物成分 • 孔隙比 • 结构
水的性质
影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大
在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直
在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性
渗透系数的影响因素
§ 3.3 土的渗流性
土的性质 • 粒径大小及级配 • 矿物成分 • 结合水膜的厚度 • 结构
水的性质
水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k
饱和度（含气量）：封闭气 泡对k影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§3.3 土的渗透性
几个问题
量测变量: h，t
适用土类：透水性较小 的粘性土
H1
Q 土样 l F
t=t1
t=t2
H2 水头 测管 开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§ 3.3 土的渗流性
在tt+dt时段内：
• 入流量： dQe= - a*dh • 出流量： dQo=kIFdt=k (ΔH/l)Fdt
dH H1
t=t1
t t+dt
渗流模型 土中水渗透的基本规律 土的渗透系数 影响土渗透性的一些因素 动水力及渗流破坏
§ 3.3 土的渗流性
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。
ab
贮水器 hw L
0
土样
Δh h1
v2 z u h 常数
2g
w源自文库
流速水头+位置水头+压力水头=常数
v 很小，流速水头可忽略不计：
z u h 常数
w
§3.3 土的渗透性
土的层流渗流定律
水力坡降线
➢达西定律
•
A点总水头：H A
zA
uA
w
uA w
HA
•
B点总水头：H B
zB
uB
w
zA
A
B L
基准面
ΔH
uB
w HB zB