2土的渗流(简)

v
k2 k3
承压水
1 H 1 ( i ) kz H ki
h
vH kz
vH vH i kz ki
kz
H Hi k i
§2.3 渗透力与渗透变形
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。
n
Av A
A > Av Q＝VA ＝ VsAv
v v vs 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
v vcr
o
v kim (m 1)
i
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 )
静水中的土体 渗流中的土体 总渗透力
R = γ’ L R = γ’L－ γwΔh
向上渗流存在时， 滤网支持力减少
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
向上渗流存在时，滤网支持力减少 渗流中的土体所受滤网支持力
R = γ’L－ γwΔh γ’L－ γwΔh = 0 i = Δh/L = γ’ /γw icr = γ’ /γw
量测变量: h2，V，T 试验结果
Δh=h1-h2 Q=V/T
h QA L
Q 断面平均流速 v A
水力坡降
i
h L
vi
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 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
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
四、层状地基的等效渗透系数
天然土层多呈层状
确立各层的ki
根据渗流方向确定等效渗流系
数
等效渗透系数
水平渗流
条件:
ii i h L
1
2 z
Δh x
q x qix
H Hi
q1x q2x q3x
k1
z：位置水头 A点总水头：
uA h1 z A w
uA w
Δh
A
uB w
h1 0
zA
L
基准面
B
h2
zB
0
B点总水头：
h2 zB uB w
水力坡降：
h i 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
内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因——渗透力足够大
流土与管涌的比较
流土
现象 位置 土类 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 导致下游坡面产生局部滑动等
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 导致结构发生塌陷或溃口
历时 后果
3. 防治措施
防治流土 减小i
i i i cr Fs
：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
重复试验后，取均值 粗粒土
不同时段试验，取均值 粘性土
现场测定法－抽水试验 试验条件:
抽水量Q
r2 r1
观察井
Q=const
量测变量:
井
h1
不透水层
r=r1，h1=？
r=r2，h2=？

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
2.影响因素
土粒特性
粒径大小和级配 密实程度 结构和构造
i = icr :
经验判断：
i cr i i Fs
[ i ] : 允许坡降 Fs: 安全系数1.5～2.0
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。
过程演示
坝体
渗流
2. 在渗透水流作用下， 孔隙不断扩大，渗流 1. 3. 形成贯穿的渗流通道， 速度不断增加，较粗 细颗粒在粗颗粒形成 造成土体塌陷 颗粒也相继被水带走 的孔隙中移动流失
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。
坝体
粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因：
W J 0
icr

i i cr
Gs 1 — —和土的密实程度有关 1 e
形成条件
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
(G s 1) w 1 e
临界水力坡降
i cr
Gs 1 1 e
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
二、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
a
b
贮水器
Δh h1
hw L
0 滤网 土样
h2
0
土水整体分析
a b
静水中的土体
P1 W 0 贮水器 hw L A=1
土样
h2
0
P2
R
滤网
W = Lγsat＝L(γ’ + γw) P1 = γwhw
P2 = γwh2 R=? R + P2 = W + P1
R + γwh2 = L(γ’ + γw) + γwhw
第二章
土的渗透性和渗流问题
概 述
碎散性
多孔介质 ห้องสมุดไป่ตู้相体系
能量差
孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等液体透过的性质 渗透特性 强度特性 变形特性
渗流 渗透性
非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性
一、渗流中的水头与水力坡降
基坑
A B
透水层 不透水层
L
u 总水头： h z w
R = γ’ L
渗流中的土体
P1 W
ab
贮水 器 hw L 土 样
Δh h1
h2
0 滤网
P2
A=1
0
R
W = Lγsat＝L(γ’ + γw) P1 = γwhw P2 = γwh1 R=? R + P2 = W + P1
R + γwh1 = L(γ’ + γw) + γwhw
R = γ’L－ γwΔh
v
i0
i
三、渗透系数的测定及影响因素 1. 测定方法
常水头试验法 室内试验测定方法
变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验
野外试验测定方法
室内试验方法
常水头试验 条件 已知 测定 算定 取值 适用
Δh=const Δh，A，L V，t
k VL Aht
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t
k aL h1 ln At h 2
H1
H2 H3 2
不透水层
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH Σqix=ΣkiiiHi
kx 1 k iHi H
k2 k3
L
H
1
竖直渗流
条件:
vi v
Δh
h hi
H Hi
x
z k1 H1 H2 H3 H
等效渗透系数:
vi = ki (Δhi/Hi)
vH i h i ki