土的渗透性及渗透力.
土的渗透性
第二章土的渗透性一、名词解释渗流：水在能量差的作用下在孔隙通道中流动的现象。
渗透性：水在能量差的作用下在土孔隙通道中渗流的性能。
水力梯度：总水头差Δh 与渗流路径长度L之比,表达式为i＝Δh/L。
达西定律：在层流状态下，水在土中的渗透速度与水力梯度成正比关系，表达式为v=ki。
渗透系数：是一个表示土体渗透性强弱的指标，它等于单位水力梯度时的渗透速度，k=v/i。
渗透力：土体中的渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力，它是一种体积力，表达式为F d=γw*i。
临界水力梯度：当水的渗透方向从下向上，竖直向上的渗透力等于土的浮重度时的水力梯度。
渗透破坏：土由于渗流作用而出现的破坏或变形现象，渗透破坏的两种基本类型是流砂和管涌。
二、填空题1．层流正比 2．常水头法变水头法3．流砂管涌 4．自下而上的渗透力超过土的有效重度。
三、简答题1．答案：在向上的渗透水流作用下，在渗流溢出口一定范围内，土颗粒或其集合体浮扬向上移动或涌出的现象叫流砂。
任何类型的土，只要满足水力梯度大于临界水力梯度这一水力条件，就要发生流沙现象。
防止流砂的措施主要有：（1）减小水头差，如采用井点降水措施来人工降低地下水位；（2）增加渗流路径长度，如打钢板桩、制作水泥搅拌桩、设地下连续墙和注浆挡水帷幕。
2．答案：在渗透水流作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以致被水流带走，随着孔隙不断扩大，渗透速度的不断增加，较粗的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象叫管涌。
无粘性土产生管涌的2个必要条件是：（1）几何条件，土中粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒的直径，一般不均匀系数大于10的土中才会发生管涌；（2）水力条件，渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动，即渗透水流的水力梯度超过管涌的临界水力梯度。
防止管涌现象，一般可从两个采取措施：（1）改变几何条件，如在渗流溢出部位铺设反虑层；（2）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。
土的渗透性
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：渗透力足够大
渗透变形（渗透破坏）的基本类型
管涌
特点： （1）可以发生在土体的所有部位； （2）发生一般是渐进式的破坏模式； （3）发生在一定级配的无粘性土中。 当渗透力带动土颗粒在土体孔隙中移动或滚动时，即为管 涌的临界状态；发生管涌的水力坡降计算公式至今尚无成 熟的理论计算公式。对于重要的工程，需要通过渗透试验 确定。对于中小型工程，可借助一些经验公式和经验数值 来确定。
渗透变形
渗透力
渗透变形
a b
一. 渗透力
试验观察
贮水器 hw L 土样
Δh h1 h2
0
滤网
0
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。
可发生于土体内部和 渗流溢出处
一般发生于特定级配的 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
历时 后果
渗透破坏防治措施
防渗斜墙及铺盖 土石坝
浸润线
透水层 不透水层
防治流土
减小i
i i
icr Fs
防治管涌
改善几何条件：设反滤层等 ：上游延长渗径； 下游减小水压 改善水力条件：减小渗透坡ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 设置垂直防渗帷幕
u h2 wh
小结
工程实例
渗流问题 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
渗流中的水头与水力坡降
渗透试验与达西定律
名词解释 土的渗透性
名词解释土的渗透性土的渗透性是指土壤中水分的渗透性能力。
在自然界中，土壤是地球表面与大气层之间的交界处，具有储存水分、供给植物生长的重要功能。
而土的渗透性则决定了土壤中水分的渗透速度和深度，对于水分的循环和植物生长起着至关重要的作用。
一、土壤与渗透性土壤其实是由不同颗粒大小和结构的颗粒物质组成的。
这些颗粒物质可以是砂、黏土或者是淤泥。
而土的渗透性与颗粒的排列和间隙大小有密切关系。
当土壤中的颗粒粒径较小、形状较圆，且排列紧密时，土壤的渗透性就相对较差。
相反，当土壤颗粒的粒径较大、形状较块状，且排列相对疏松时，土壤的渗透性就会相对较好。
二、影响土壤渗透性的因素1. 颗粒大小和分布：土壤中颗粒的大小和分布直接影响到土壤的渗透性。
较大的颗粒间隙相对较大，水分可以更加容易渗透。
2. 颗粒形状：颗粒的形状也会影响到土壤的渗透性。
较圆的颗粒形状会导致颗粒间隙较小，从而使渗透性降低。
3. 颗粒结构：土壤中颗粒的结构也会影响到土壤的渗透性。
土壤颗粒结构的紧密程度会影响到渗透性的好坏。
4. 有机质含量：土壤中的有机质含量会使得土壤呈现较松散的状态，增加颗粒间的间隙，从而提高土壤的渗透性。
5. 土壤水分含量：土壤中水分的饱和程度也会影响到土壤的渗透性。
当水分含量较高时，土壤的渗透性会变差。
三、土壤渗透性的作用1. 植物生长：土壤渗透性是决定植物根系生长的重要因素之一。
良好的渗透性可以保证植物根系充分吸收到水分和养分，从而促进植物的健康生长。
2. 土壤水分循环：土壤渗透性也影响到土壤中水分的循环。
当土壤渗透性较好时，水分可以更容易渗透到土壤深处，从而保持水分的循环和土壤的持水能力。
3. 土壤侵蚀：土壤渗透性对土壤侵蚀也起到了一定的防止作用。
当土壤渗透性较差时，水分容易积聚在土壤表面，容易引起土壤的流失和侵蚀。
综上所述，土的渗透性对土壤水分循环、植物生长和土壤保持等方面都起着重要的作用。
在现代农业中，科学地了解土壤的渗透性对于实现高产、高效、可持续的农业发展至关重要。
土力学课件 2.土的渗透性与渗透问题
2.1 土的渗透定律渗定律2.2 渗透系数及其测定22渗透系数及其测定2.3 渗透力与渗透变形土的渗透问题概述浸润线上游土坝蓄水后水透过下游坝身流向下游流线等势线H隧道开挖时，地下水向隧道内流动水在土孔隙通道中流动的现象叫做水的；土可以被水透过的性质水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；土可以被水透过的性质，称为土的渗透性或透水性。
212.1土的渗透定律一、土中渗流的总水头差和水力梯度、土中渗流的总水头差和水力梯度vw h h z h ++=伯努利方程v u AA2gz h w A 21++=γv2gu z h Bw BB 22++=γhh h Δ=−21h ΔLi =达定律二、达西定律1856年法国学者Darcy 对砂土的渗透性进行研究qv A=v=ki达西定律'v A ==vq vA'A v v v ==v A n三达西定律适用范围与起始水力坡降三、达西定律适用范围与起始水力坡降讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系v=ki v密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发0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i砂土v虚直线简化达西定律适用于层−=i b流，不适用于紊流i密实粘土)(b i i k v 起始水力坡降2.2 渗透系数及其测定一、渗透试验（室内）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）的土适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。
Athk kiAt qt 时间t内流出的水量LQ ===QL hAtk=2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差，渗透系数小的截面面积a任一时刻t 的水头差为h ，经时段后细玻璃管中水位降落粘性土dt 后，细玻璃管中水位降落dh ，在时段dt 内流经试样的水量=－dQ adh在时段dt 内流经试样的水量dQ =kiAdt =kAh/Ldt1h aL＝管内减少水量＝流经试样水量()212lnh t t A k −dh 积－adh=kAh/Ldt分离变量dtaL kA h=−分二、渗透试验（原位）在现场打口试验井并安装z 在现场打一口试验井，并安装好抽水机具z 距井中心r 1、r 2处打两个观测水位的观测孔z 在井内不断抽水，并观测另两个观测孔的水位高度h 1、h 2，同时记录单位时间内的排水量2r )()ln(21221h h r q k −=π假定z 水沿水平方向流向抽水孔rh A π2=z 过水断面积上各点i 相等drdh i =dhdrdrrhkrhv Av q ππ22===khdh r q π2=22dr h r =)(ln 22122211h h k r q hdh k r q h r −=∫∫ππ1r 2ln r q ⎟⎟⎞⎜⎜⎛()21221h h r k −⎠⎝=π三影响渗透系数的因数三、影响渗透系数的因数z 土颗粒的粒径、级配和矿物成分z 土的孔隙比或孔隙率z 土的结构和构造z 土的饱和度z 水的动力粘滞度动力粘滞系数随水温发生明显的变化。
土的渗透性和渗透变形
目录
• 土的渗透性 • 渗透变形 • 渗透变形的防治 • 渗透变形的影响 • 案例分析
01 土的渗透性
定义与特性
定义
土的渗透性是指水在压力差的作用下 通过土体的能力，是描述土体透水性 能的指标。
特性
与土的颗粒大小、形状、排列、孔隙 大小和连通性等因素有关。
影响渗透性的因素
生态平衡
土的渗透变形可能影响土壤中的微生物和植物生长， 破坏生态平衡。
对人类生活的影响
居住安全
土的渗透变形可能影响居民住宅的安全，如地基下沉、房屋开裂 等，影响居住质量。
公共安全
在公共设施中，如学校、医院等，土的渗透变形可能对人员安全 造成威胁。
经济影响
土的渗透变形可能对建筑、道路、水利等基础设施造成严重破坏， 导致巨大的经济损失。
粘土心墙
在土体中建造混凝土防渗墙，以阻止 水分渗透。
在土体中建造粘土心墙，以增加土体 的不透水性。
帷幕灌浆
通过向土体中注入水泥浆，形成一道 阻水帷幕。
排水措施
排水沟
在土体周围设置排水沟，以引导 水分流出。
排水井
在土体中设置排水井，以降低地下 水位。
排水垫层
在土体底部设置排水垫层，以排出 水分。
改变边界条件
某矿山的渗透变形问题
总结词
矿山开采过程中，由于地下水位的下降 和采空区的形成，容易导致矿山发生渗 透变形问题，如地面塌陷、裂缝等。
VS
详细描述
在矿山开采过程中，随着地下水位的下降 和采空区的形成，矿山周围的岩土体受到 较大的应力作用。当应力超过岩土体的抗 剪强度时，容易出现地面塌陷、裂缝等问 题。这些问题不仅会影响矿山的生产安全 ，还可能对周边地区的生态环境和居民安 全造成威胁。
2.土的渗透性与渗透问题讲解
说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响
渗透力方向与 重力一致，促 使土体压密、 强度提高，有 利于土体稳定 渗流方向近乎水平，使 土粒产生向下游移动的 趋势，对稳定不利
二级抽水后水位
多级井点降水
要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周 围布臵一排至几排井点， 从井中抽水降低水位
②设臵板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地 下水的渗流路径，减小水力坡降
钢板桩
③水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流 砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水， 并同时进行挖掘
qy q1y q2 y qny
各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、…、in，总的水力坡降为i
k y iA k1i1 A k 2i2 A k n in A
总水头损失等于各层 h h1 h2 h n 水头损失之和 hn h1 h2 h k y k1 k2 kn H H1 H2 Hn 垂直渗 透系数 H ky 整个土层与层面垂直 H1 H 2 Hn 的等效渗透系数 k1 k2 kn
3.流砂
流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建 筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。 通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、 埋设地下管道、打井等工程活动中常出现
4.基坑突涌
当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚 度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲 毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌
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
土力学土的渗透性与渗透问题
有关的工程问题
Teton坝
洪水扫过下游 谷底，附近所 有设施被彻底 摧毁
有关的工程问题
Teton坝
失事现场目 前的状况
有关的工程问题
九江大堤决口
又过20分钟，防 水墙后的土堤突 1998年8月7日 然塌陷出 1个洞， 13:10发生管涌 5 m宽的堤顶随 险情， 20分钟后， 即全部塌陷，并 在堤外迎水面找 很快形成一宽约 到2处进水口 62m的溃口。
密实粘土 i
§2
渗透系数及其确定方法
1.常水头试验————整个试验 过程中水头保持不变
一、渗透试验（室内）
适用于透水性大（k>10-3cm/s） 的土，例如砂土。 时间t内流出的水量
h V qt kiAt k At L
VL k hAt
2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化 适用于透水性差，渗透系数 截面面积a 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 样的水量 dV=－adh 在时段dt内流经试样的水量
a
b
c
渗流力与重力方向相 反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出
2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降 J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降
GJ
G
wicr
icr
' w
或
Gs 1 sat w icr 1 e w
西藏易贡巨型高速滑坡
降雨入渗引起的滑坡
湖水每天上涨50cm！
易贡巨型滑坡现场
《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-第三章土的渗透性及渗流
aL
At2
t1 lg
h1 h2
－adh=kAh/Ldt
分离变量 积分
k＝
aL
At2
t1 ln
h1 h2
天津城市建设学院土木系岩土教研系数
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
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
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
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
土力学
天津城市建设学院土木系岩土教研室
渗流作用于单位土体的力
j
J AL
whA
AL
i
w
说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.4.2 流砂或流土现象
土力学
渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响
（3）土的饱和度
土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多， 土的渗透性愈小。
（4）土的结构
细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、 大小及其分布都改变，k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小
（5）水的温度
粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗 透系数则愈大。
h v2 p z
土的渗透性及渗透试验
土的渗透性及渗透试验影响渗透性的因素是很复杂的，主要有粘粒含量，矿物成分，溶液性质，孔隙大小、形状、连通性。
并且由于一些原因会使土的渗流规律出现偏离达西定律的现象。
渗透系数——液体在单位压力梯度下渡过单位土截面的量。
假设与压力梯度和液体流量q 成线性关系，从而可有达西定律：iA q k 水力梯度流体所流过的面积液体流量渗透系数⨯=A qv 截面面积流量渗透速度=然而需要注意的是截面面积A 为所考虑的整个土体的截面面积，但是其中的一部分是土颗粒，因此水实际流过的面积要小的多。
实际的平均渗透速度t v 应该比v 更大，可以用下式解出：nv e e v v t =+⋅=1其中，孔隙比e ：土中孔隙体积与土颗粒体积之比，s v V V =e 孔隙率n ：土中孔隙体积与土总体积之比，(%)100⨯=VV n v 土的渗透性主要受土体宏观结构的影响：如果黏土有裂隙或者含有细砂都会导致其渗透性增大到黏土本身渗透性的数倍。
水平向渗透性与竖向渗透性水的渗透会沿着阻力最小的方向，实验室试样尺寸很小以及试样的获得和制备方法，在大尺寸时的性质并不能体现，并且试验结果并不能完全代表拥有显著宏观结构原位土的性质。
另外，实验室试验往往是采用外力强迫水在土样中发生竖向流动，然而在现场最为关心的重要因素为水平向渗透性，因为它在实际中表现得更为显著，原位试验就可以克服这种缺点。
土渗透性的影响因素：土的粒度成分及矿物成分、合水膜厚度、土的结构构造、水的粘滞度、土中气体渗透水流施于单位土体内土粒上的力称为渗流力、动水压力。
当渗流力和土的有效重度相同且方向相反时，土颗粒间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定。
这种现象称为流土，此时的水头梯度成为临界水头梯度icr。
流土：是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。
它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。
管涌：指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。
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
土力学土的渗透性与渗透问题
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：
式中，右端第一项Psv/A为全部竖向 粒间作用力之和除以横断面积A，它 代表全面积A上的平均竖直向粒间应力，并定义为有效应力，习惯上用 ‘ 表示。有端第二项中的As/A，试验研究表明，粒间接触面积As不超过 0.03A，故 As/A可忽略不计。于是上式可简化为:
＝‘ 十 u 即为著名的有效应力原理
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(1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细 颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件， 可用管涌的水力坡降表示。 流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌 现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。
渗流量之和，即 将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：
(二)竖直向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速
相同，即 (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和，即 将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：
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测管水头：位置水头与压力水头之和 h= z+ u/w
测管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能
伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出： (1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全是由总水头差决定。只有当 两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点 流动。 (2)由于土中渗流阻力大，故流速 v 在一般情况下都很小，因而形成的 流速水头也很小，为简便起见可以忽略。渗流中任一点的总水头就可 用测管水头来代替。 水力坡降
3第三章-土的渗透性及渗流
粗颗粒土一般在完全干燥和洒水饱和状态下最容易密 实。主要因为在潮湿状态下，土中的水为毛细水，毛 细水压增加了粒间阻力。
பைடு நூலகம்
土的击实试验
在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有 轻型和重型两种。
护筒
导筒 击实筒
轻型击实试验适用于粒径小于 击锤 5mm的土，击实筒容积为947cm3， 击锤质量为2.5kg。把制备成一定 含水量的土料分三层装入击实筒， 每层土料用击锤均匀锤击25下， 击锤落高为30.5cm
渗透力
J T wi
负号：渗透力方向与土骨架对水流阻力方向相反
三 土的渗透性——渗透力
根据力的平衡条件
wh1 A w LA cos wh2 A TLA 0
cos ( z1 z2 ) / L h1 H1 z1； h 2 H2 z 2
三 土的渗透性——渗透力 渗流过程
若水自上而下渗流：渗透力方向与土粒所受重力方向相同 ——将增加土粒之间的压力 若水自下而上渗流：渗透力方向与土粒所受重力方向相反 ——将减小土粒之间的压力 此时，若渗透力大小等于土的浮重度时，则土粒之间压力为零，理论上 土粒处于悬浮状态，将随水流一起流动，形成流砂现象
三 土的渗透性
三 土的渗透性——基本概念
1 基本概念
土：具有连续孔隙介质，水在重力作用下可以穿过土中孔隙而流动 渗透或渗流——在水头差作用下，水透过土孔隙流动的现象
渗透性——土体可被水透过的性能
土坝、水闸等挡水后，上游水将通过坝体或地基渗到下游——发生渗透
三 土的渗透性——基本概念
渗透引起两个方面问题：
i＞icr：土粒处于流砂状态
i= icr：土粒处于临界状态
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
土的渗透性及渗透力解读
渗透力及渗透破坏
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。
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。 土的渗流试验简图
管涌
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
破坏过程短
导致下游坡面产生局部滑动等
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。 孔隙水压力（pore water pressure） ——由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体的变形和强度变化， 又称为中性应力。它不随时间而变化。 超静孔隙水压力（excess pore water pressure） ——由外荷载引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。
w h0 sat L w h1 ' L b b面 : u w h2 w (h1 h) u0 w h ' ' u w h1 ' L w (h1 h) ' L w h 0 w h
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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 3.4 渗透力及渗透破坏 有效应力原理及计算
2
3.1
3.1.1
土的渗透性及渗透定理
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。
17
非管涌土
土的孔隙平均直径 D0 0.25d 20
非管涌土 管涌土 过渡型土
d20——小于该粒 径的土质量占总 质量的20%
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 涌 。
透水层
不透水层
防 治 管 涌
改善几何条件：设反滤层等， 反滤层为级配较均匀的砂子和砾 石层，能保护细颗粒不被带走， 同时也具有较大的透水性 改善水力条件：减小渗透坡降
20
流土与粒同时发 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
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
16
无粘性土
发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：
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% (b) 级配连续的土 D0 d 3 D0 d 5 D0 d 3 — d 5 非管涌土 管涌土 过渡型土
水力坡降 破坏坡降icr
允许坡降[i]
级配连续土 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
i h 防 i i cr L Fs 治 流 减小i ：上游延长渗径 土 下游减小水压
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
增大[i]：下游增加透水盖重
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
z ( ' L w h) ( ' wi) z ( ' j ) z L
' B
饱和土体中渗流力计算
单位渗流力： j w i
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
h kAi L q h v k ki A L q kA
则
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。
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。
dr i=dh/dr q 2khdh r
q ln
r2 k ( h22 h12 ) r1 q ln(r2 / r1 ) k h22 h12
r1
r
r2 dr h
井
dh h1
h2
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 不透水层 （完整井）
9
3.3
3.3.1
Gs 1 icr — — — 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 经验判断：
icr i i Fs
[ i ] : 允许坡降 Fs : 安全系数2.0～2.5
渗透力及渗透破坏
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。
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。 土的渗流试验简图
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 '
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： 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。
aL h1 k ln At h2
自学推导过程
8
3.2.2
A=2πrh
现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
dh dr
抽水量Q 观察井
q Aki 2rh k
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度
6
3.2
3.2.1
渗透系数的测定
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
QL k Aht
管涌
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