土的渗透性及渗透力

3.2.1 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
k QL Aht
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。
k aL ln h1 At h2
自学推导过程
8
3.2.2 现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
q Aki 2rh k dh
A=2πdrhr q
i=dh/dr
2khdh
dr
r
q ln r2 r1
k(h22
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。
22
3.4.2 有效应力原理
1、饱和土中的应力形状
a-a断面竖向力平衡：
A Psv uAw
A： 土单元的断面积 As： 颗粒接触点的面积 Aw： 孔隙水的断面积
3 土的渗透性及渗透力
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 渗透力及渗透破坏 3.4 有效应力原理及计算
2
3.1 土的渗透性及渗透定理
3.1.1 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。
18
19
防治措施
防
i h i icr
治
L
Fs
流 土
减小i ：上游延长渗径 下游减小水压
增大[i]：下游增加透水盖重
改善几何条件：设反滤层等， 防 反滤层为级配较均匀的砂子和砾 治 石层，能保护细颗粒不被带走， 管 同时也具有较大的透水性 涌
改善水力条件：减小渗透坡降
防渗斜墙及铺盖
地下水位下降引起 σ’ 增大的部分
地下水位下降会引起 σ’增大，土会产生压 缩，这是城市抽水引起 地面沉降的一个主要原 因。
25
海洋土
H1
H sat H2
γwH1
γwH1
wH1 H sat 2
wH
H2
σ’=σ-u
=γwH1+γsatH2-γwH =γsatH2-γw(H-H1) =(γsat-γw)H2 =γ’H2
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。
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度 6
3.2 渗透系数的测定
破坏过程相对较长
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，
26
毛细饱和区
总应力 － 孔隙水压力 ＝
有效应力

H
毛细饱
和区 sat
hc
ht
hw
whc
-
H whc
H h sat t
+
whw
H h sat t whw
27
2、稳定渗流条件下
（1）水自下而上渗流 （当h2 > h1时，h2 =h1 + h，即向上渗流）
h12 )
k q ln(r2 / r1 )
h22 h12
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
抽水量Q 井
观察井
r2 r r1
dr dh
h1 h
h2
不透水层 （完整井）
9
3.3 渗透力及渗透破坏
3.3.1 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。
icr



Gs 1 — — — 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：
i i icr
Fs
[ i ] : 允许坡降
Fs: 安全系数2.0～2.5
15
（2）管涌
非管涌土 管涌土 过渡型土
17
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。
水力坡降
级配连续土
破坏坡降icr 允许坡降[i]
0.2—0.4 0.15—0.25
级配不连续土 0.1—0.3 0.1—0.2
a-a断面通过 土颗粒的a 接
触点
A AS Aw
A
Psv Aw u
AA
有效应力σ’
Aw 1 A
aBaidu Nhomakorabea
a
u：孔隙
水压力
P PSV
S
'u
P
S
23
2、饱和土中的有效应力原理
（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’ 和u，并且
'u
一般地， u
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
q k A h k Ai L
则
v q k h k i
A
L
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。
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
20
流土与管涌的比较
流土
管涌
现象 位置
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
土类 只要渗透力足够大，可发 生在任何土中
历 时
后果
破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等
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
d20——小于该粒 径的土质量占总 质量的20%
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 d3 D0 d5 D0 d3 — d5
非管涌土
非管涌土 管涌土 过渡型土
29
土的渗透
小结
渗透定理（达西定律） 渗透力计算 渗透变形类型、形成条件、防止措施
有效应力原理
基本概念
饱和土中孔隙水压力 和有效应力的计算
30
31
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
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
饱和土体中渗流力计算

' B

(
'
L


wh)
z L

(
'
wi)

z

(
'
j)z
单位渗流力： j w i
b

b面
:

u
wh0 wh2


sat L w (h1

wh1
h)
'L u0
w
h

'


u


wh1


'L


w (h1

h)


'
L

wh


' 0


wh
28
结 论：
土中发生向上的渗流时，由于孔 隙水向上渗流，并且作用在土颗 粒上一个向上的体积力，使得土 骨架应力降低，而该体积力反作 用于孔隙水上，使孔隙水应力增 加，增加和减小的数值相等，均 为γwh。
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 '
－－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）：
土的孔隙平均直径 D0 0.25d20
通常,
总应力已知或易知 孔隙水压测定或算定
'u
有效应力
（2）土的变形与强度都只取决于有效应力
24
3.4.3 稳定渗流下的土中有效应力的计算
1、静水条件下
地下水位

H1
sat H2
σ’=σ u=γwH2 -u
H1 satH2
u=γwH2
σ’=σ-u =γH1+γsatH2-γwH2 =γH1+(γsat-γw)H2 =γH1+γ’H2