土力学3土的渗透性与渗透问题

试观验察井孔 1
2
2
地0 面
观察孔 1
2
（b） 地面
水位
水位
（b）
20
地2 面0 水位
1 2
1 2
0 0
H
2 1
2 1
不透水层
不透水层
R
R
0
不透水层
0
不透水层
无压完整井抽水试验
无压非完整井抽水试验
完整井：井底钻至不透水层； 非完整井：井底未钻至不透水层。
实验方法：
观察井
理论依据：
i dh dr
q
3.1 概述
碎散性
多孔介质
三相体系 能量差 孔隙流体流动
水、气等在土体孔隙中流动的现象
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
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙 基坑
透水层 不透水层
▪理论依据: t时刻：Δh Δt dh
流入量： dQe= - ad(Δh)
流出量： dQo=kiAdt=k (Δh/L)Adt
连续性条件： dQe=dQo -adh =k (Δh/L)Adt
dt aL dh kA h
t2 dt aL h2 dh
t1
kA h1 h
t2
t1
aL kA
ln
h1 h2
vi
达西定律 k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数
渗透定律
vi
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
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。
v ki
A
Av
注意：
v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
水井渗流
Q
天然水面
透水层
渗流量
不透水层
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
渗流滑坡
渗流滑坡
＊典型事故
典型事故
• 2003年7月1日凌晨发生的上海轨道交通4号线塌方事故，直 接经济损失1.5亿元左右，3栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙 局部塌陷并引发管涌。
•事故发生段为地铁董家渡段的两条隧道之间的一条狭小连接 通道，即旁通道，靠黄浦江260米处。
1、实验室测定方法
常水头试验
▪试验装置：如图 ▪试验条件:Δh，A，L=const ▪量测变量:Q，t ▪结果整理
Δ
Q=qt=vAt v=ki i=Δh/L
k QL Aht
适用土类：透水性较大的粗粒土
截面 积a
变水头试验
▪试验装置：如图
▪试验条件:Δh变化；A，L=const
▪量测变量: Δh1 ，Δh2 ，t1，t2
k aL ln h1 A(t2 t1 ) h2
▪结果整理 选择几组Δh1, Δh2, t1，t2，计算相应的k，取平均值 适用土类：透水性较弱的细粒土
两种室内试验方法对比
条件 已知 测定 算定 取值 适用
常水头试验
变水头试验
Δh=const
Δh变化
Δh，A，L
a，A，L
Q，t
k QL Aht
板桩墙 基坑
透水层 不透水层
A
B L
uA w
hA
zA
L
A点总水头：
hA
zA
uA
w
总水头：单位重量的 h 水所具有的能量
uB w
hB
zB
h z u v2
w 2g
V2/(2g) ≈0
u h z
w
B点总水头：
hB
zB
uB
w
水力梯度（坡降） i hA hB h LL
3.3.2 达西定律
渗透试验
重复试验后，取均值
Δh1，Δh2 ，t1 ，t2
k aL ln h1 A(t2 t1 ) h2
不同时段试验，取均值
粗粒土
Baidu Nhomakorabea粘性土
2、现场测定法
现场抽水试验 井孔注水试验
现场井孔抽水试验适用于均质粗粒土层
抽水试验开始前，先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况 分为二种类型：完整井、非完整井
验井（a）2 0
v
v kim (m 1)
i
粘性土：
致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
o
i0
起始水 力坡降
i
§3.3 渗透系数及测定方法
3.3.1渗透系数的室内及 现场测定方法
3.3.2影响土的渗透性的因数 3.3.3成层土的等效渗透系数
3.3.4例题分析
3.3.1渗透系数的室内及其现场测定方法
边坡渗流
土坡稳定分析
土的渗透性与渗透规律概述
一.渗流中的水头与水力坡降
3.2
二.渗透试验与达西定律
三.渗透系数的测定及影响因素
3.3
四.层状地基的等效渗透系数
能量方程 渗流速度的规律 渗透特性 地基的渗透系数
§3.2 土的渗透性与达西定律
3.2.1 渗流中的水力坡降 3.2.2 达西定律
3.2.1 渗流中的水力坡降
•事故发生原因：
•（1）竖井与旁通道的开挖顺序错误；
•（2）冷冻设备出现故障导致温度回升；
•（3）地下承压水导致喷沙。
• 三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。
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 扬压力 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
缺点：费用较高，耗时较长
3、经验估算法
渗透系数k值还可以用一些经验公式来估算，例如：太沙基(Terzaghi) 1955年提出了考虑土体孔隙比e的经验公式等。这些经验公式虽有其实 用的一面，但都有其适用条件和局限性，可靠性较差，一般只在作粗 略估算时采用在无实测资料时，还可以参照有关规范或已建成工程的 资料来选定k值，有关常见土的渗透系数参考值如下表。
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 v vs n
达西定律适用条件
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
两种特例
粗粒土：
vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律
o
②砂土中渗透速度
vcr=0.3-0.5cm/s
▪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
Δh↑，q↑ A↑，q↑ L↑， q↓
Q=V/T
q A h L
断面平均流速 v q A
水力坡降 i h L
h1
Δ
h2
1856年法国 学者Darcy对 砂土的渗透 性进行研究
Ar kir
2rhk
dh dr
抽水量Q 井
r2 r r1
dr dh
q dr 2khdh
r
地下水位≈测压管水面
h1
h
h2
r2q dr 2k h2 hdh
r1 r
h1
不透水层
q ln r2 r1
k(h22
h12 )
q ln r2
k
(h22
r1 h12 )
试验优缺点：
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数