河海大学土力学3-第三章.ppt
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土力学课件-3章(new)
条形基础 L/B ≥10
pmax
pmax
min
P 6e 1 (1 ) B B
e > B/6
单位长度所 e 偏心距 受荷载合力
P1 kN/m
pmax
A
pmin 0
B
e > B/6时：
pmax
2P 3KL
B K e 2
基础受偏心斜向荷载P作用(了解）
铅直向分力P v 水平向分力Ph 铅直向基底压力p v P Ph A Pv
一、土中应力类型（填空或名词解释常考题目) 自重应力 由土体自身重量产生的应力 附加应力 由建筑物等外部荷载（如车辆、堆放材料）
作用在地基中产生的应力，又称增加应力
渗流应力 由渗透水流产生的应力
二、土中应力求解的基本假定：
古典弹性理论
半无限空间弹性理论
x
受力体连续、均质、弹性、各相同性
z
土体: 中小应力条件下，土体变形与荷载基本满足 线性关系，应用半无限空间的线弹性理论计 算土体中应力能满足工程设计要求
sz 1h1 2h2 3 h3
地下水位于地表以下4.0m
sz 18 2 19 2 10 2 94kPa
地下水位于地表以下5.0m
sz 18 2 19 3 10 1 103 kPa
地下水位下降 （如大面积抽取地下水） 土体自重应力增加，造成地面沉降，地表大面积下沉 习题3－1
砂土地基、基础底面积不大、基础埋深较小 P
荷载较小 抛物线分布 荷载增大 三角形分布
基础底面积较大、基础埋深较大
P
马鞍形分布 基础埋深增加 均匀分布
4. 基底压力的简化计算： 当基础宽度较大、荷载较小时，基底压力分布可按材 料力学知识求解，假定基底压力按直线分布简化计算。 P kN 基础受中心铅直荷载作用 矩形基础 L/B＜10
土质学与土力学最新版精品课件第3章
土层中由于毛细现象所润湿的范围称为毛细水带。毛细水带根据 形成条件和分布状况,可分为三种,即正常毛细水带、毛细网状水带和 毛细悬挂水带,如图3-2所示。
3.1 土的毛细性
图3-2 土层中的毛细水带
(1)正常毛细水带(又称毛细饱和带) 位于毛细水带的下部,与地 下潜水连通。这一部分的毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的, 毛细水几乎充满了全部孔隙。正常毛细水带会随着地下水位的升降而 相应移动。
性。因此,黏土中自由水渗流受到结合水黏滞作用产生的很大阻力,只
有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。把克服此抗剪强度所需要
3.2 土的渗透性
的水力梯度,称为黏土的起始水力梯度(Threshold Hydraulic Gradient),用I0表示。在黏土中,应按修正后的达西定律计算渗流速 度。
如图3-7所示,绘出了砂土与黏土的渗透规律。直线a表示砂土的vI关系,它是通过原点的一条直线。黏土的v-I关系是曲线b(图中虚线 所示),d点是黏土的起始水力梯度I0,当土中水力梯度超过起始水力梯 度后水才开始渗流。一般常用折线c(图中Oef 线)代替曲线b,即认为e 点是黏土的起始水力梯度I0,其渗流规律用式(3-8)表示。
r ——毛细管的半径(m); θ——湿润角,其大小取决于管壁材料及液体性质,对于毛细管 内的水柱,可以认为θ=0°,即认为是完全湿润的。
表3-1 水与空气间的表面张力σ
温度/℃
-5
0
5
10
15
20
30
40
表面张力σ/(N/m)
76.4×10-3
75.6×10-3
74.9×10-3
74.2×10-3
73.5×10-3
72.8×10-3
71.2×10-3
3.1 土的毛细性
图3-2 土层中的毛细水带
(1)正常毛细水带(又称毛细饱和带) 位于毛细水带的下部,与地 下潜水连通。这一部分的毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的, 毛细水几乎充满了全部孔隙。正常毛细水带会随着地下水位的升降而 相应移动。
性。因此,黏土中自由水渗流受到结合水黏滞作用产生的很大阻力,只
有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。把克服此抗剪强度所需要
3.2 土的渗透性
的水力梯度,称为黏土的起始水力梯度(Threshold Hydraulic Gradient),用I0表示。在黏土中,应按修正后的达西定律计算渗流速 度。
如图3-7所示,绘出了砂土与黏土的渗透规律。直线a表示砂土的vI关系,它是通过原点的一条直线。黏土的v-I关系是曲线b(图中虚线 所示),d点是黏土的起始水力梯度I0,当土中水力梯度超过起始水力梯 度后水才开始渗流。一般常用折线c(图中Oef 线)代替曲线b,即认为e 点是黏土的起始水力梯度I0,其渗流规律用式(3-8)表示。
r ——毛细管的半径(m); θ——湿润角,其大小取决于管壁材料及液体性质,对于毛细管 内的水柱,可以认为θ=0°,即认为是完全湿润的。
表3-1 水与空气间的表面张力σ
温度/℃
-5
0
5
10
15
20
30
40
表面张力σ/(N/m)
76.4×10-3
75.6×10-3
74.9×10-3
74.2×10-3
73.5×10-3
72.8×10-3
71.2×10-3
土力学课件
§3 土的渗透性与渗流本章二维流网及其应用•渗透力及其分析方法09:251.常水头试验过程中水头保持不变适用于透水性大（的土，例如砂土。
时间09:25截面面积a在时段k＝作用对象：土骨架skeleton•二、、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）1.——流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。
开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。
细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏09:25162.管涌—的孔隙，发生移动并被带出的现象，是一种渐进性的破坏展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏09:25173.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关，局部地区较易发生流土破坏一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:对Cu1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌－），此时的阻力最大，一般不出现管涌而量约为30%35%会发生流土现象解一. 平面渗流的基本方程及求解1. 基本方程一. 平面渗流的基本方程及求解解解一. 平面渗流的基本方程及求解1. 基本方程φ一. 平面渗流的基本方程及求解解解一. 平面渗流的基本方程及求解2. 求解方法解一. 平面渗流的基本方程及求解2. 求解方法二.流网的绘制及应用二.流网的绘制及应用二.流网的绘制及应用二.流网的绘制及应用1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。
通常产生于粉细、粉土地层中砂、粉土地层中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。
河海大学殷宗泽高等土力学3(英文)Elasto-plastic model
q q q
p
p
p
σ1
σ1
σ1
σ2
Cone type
σ3
σ2
Cap type
σ3 σ2
2 yield surface
σ3
（3）hardening law f (σ ) = k
ij
σ
k2 k1
After yield, k changes, How does k change? Which factor causes k change? k increases — hardening k decreases — softening k constant — theoretical
σ1
Variation of yield surface
if f > k , k changes, yield surface moves
σ
k2 k1
q
σ2
f =k
σ3
σ1
ε
p
σ2
σ3
Loading and unloading
Current stress state — on yield surface, A new stress increment is applied. * unloading
σ1
Failure surface —— locus of the points in stress space which represent failure
Failure criterion
σ2
σ3
Trasca criterion
= kf 2 σ σ 2 σ σ 1 σ σ 3 σ1 σ 2 σ σ 1 σ σ 3 k f 2 k f 2 k f 3 k f 3 k f 1 kf = 0 2 2 2 2 2 2
p
p
p
σ1
σ1
σ1
σ2
Cone type
σ3
σ2
Cap type
σ3 σ2
2 yield surface
σ3
（3）hardening law f (σ ) = k
ij
σ
k2 k1
After yield, k changes, How does k change? Which factor causes k change? k increases — hardening k decreases — softening k constant — theoretical
σ1
Variation of yield surface
if f > k , k changes, yield surface moves
σ
k2 k1
q
σ2
f =k
σ3
σ1
ε
p
σ2
σ3
Loading and unloading
Current stress state — on yield surface, A new stress increment is applied. * unloading
σ1
Failure surface —— locus of the points in stress space which represent failure
Failure criterion
σ2
σ3
Trasca criterion
= kf 2 σ σ 2 σ σ 1 σ σ 3 σ1 σ 2 σ σ 1 σ σ 3 k f 2 k f 2 k f 3 k f 3 k f 1 kf = 0 2 2 2 2 2 2
河海大学土力学课件 第三章 土的渗透性
降下，水在土中的流动即进入紊流状态，渗透速度与水 力坡降呈非线性关系，此时达西定律不能适用。
i
o ib
i
i
3-2
达西渗透定律
Darcy’s Law求出的渗透速度是一种假想 的平均流速，它假定水在土中的渗透是
一、达西渗透定律
A
通过整个土体截面进行的，而实际上， 渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实 际平均流速要比假想的平均流速大很多
即，对于比粗砂更细的土，达西渗透定律一般是适用的。 而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用
3-3
渗透系数的测定
常用数量级
k的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要的力学性质指标
现场试验和室内试验两大类， 一般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确可靠
1.实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土 变水头试验法，透水性小的无粘性土
b
试验资料表明，密实的粘土不但存在起始水力坡降，而 且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的 规律还偏离达西定律而呈非线性关系。
3-2
达西渗透定律
一、达西渗透定律
v
v ki
v
v
k
v vcr o
v ki
i
ib
vc i
o
砂土
砾土 密实粘土 在粗颗粒土中（如砾石，卵石），水力坡降较小时，渗 透速度与水力坡降才能呈线性关系，而在较大的水力坡
3-3
渗透系数的测定
一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程
上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质 的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介 质内的流动特征均可根据达西定律确定。 然而，工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得多， 水流形态往往是二向或三向的，这时，介质内的流动特
i
o ib
i
i
3-2
达西渗透定律
Darcy’s Law求出的渗透速度是一种假想 的平均流速，它假定水在土中的渗透是
一、达西渗透定律
A
通过整个土体截面进行的，而实际上， 渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实 际平均流速要比假想的平均流速大很多
即，对于比粗砂更细的土，达西渗透定律一般是适用的。 而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用
3-3
渗透系数的测定
常用数量级
k的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要的力学性质指标
现场试验和室内试验两大类， 一般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确可靠
1.实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土 变水头试验法，透水性小的无粘性土
b
试验资料表明，密实的粘土不但存在起始水力坡降，而 且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的 规律还偏离达西定律而呈非线性关系。
3-2
达西渗透定律
一、达西渗透定律
v
v ki
v
v
k
v vcr o
v ki
i
ib
vc i
o
砂土
砾土 密实粘土 在粗颗粒土中（如砾石，卵石），水力坡降较小时，渗 透速度与水力坡降才能呈线性关系，而在较大的水力坡
3-3
渗透系数的测定
一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程
上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质 的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介 质内的流动特征均可根据达西定律确定。 然而，工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得多， 水流形态往往是二向或三向的，这时，介质内的流动特
《土力学第三章》课件
应力张量的表达与分解
探讨三维应力状态下应力张量的 表达与分解。
主应力和主应力方向
解释主应力和主应力方向在土力 学中的重要性。
应力圆及其相关概念
介绍应力圆以及与之相关的概念。
六、摩尔圈法
1
摩尔圈法概述
讲解摩尔圈法在土壤力学中的应用。
2
内部摩尔圈与外部摩尔圈
阐述内部摩尔圈和外部摩尔圈的构成与特点。
七、黑尔圈法
《土力学第三章》PPT课 件
土力学第三章PPT课件，通过引人入胜的图片和简洁明了的内容，一起来学习 土壤的应力应变关系、固结与恢复、应力状态、摩尔圈法等知识。
一、Hale Waihona Puke 言本章内容概述并设定学习目标。
二、土体的应力应变关系
应力及其类型
介绍土体的应力以及不同类型的应力。
应变及其类型
讲解土体的应变以及不同类型的应变。
应力应变关系
探讨土体中应力和应变之间的关系。
三、一维固结与恢复
固结与恢复的定义和特点
解释一维固结和恢复的概念及其特点。
费马原理
介绍费马原理在土壤固结与恢复中的应用。
四、二维应力状态
1
圆心角法
2
介绍使用圆心角法确定平面应力状态。
平面应力状态与类型
阐述土壤中的平面应力状态及其不同类 型。
五、三维应力状态
1
黑尔圈法概述
解释黑尔圈法在土力学中的应用和原理。
水平裂缝与权重线
2
探讨黑尔圈法中水平裂缝和权重线的重 要性。
八、库仑圈法
1
库仑原理
介绍库仑原理在土壤力学中的应用。
2
库仑圈法综述
总结库仑圈法的要点和作用。
九、总结
土力学与基础工程第三章PPT课件
z
P z2
3
1
2[1(r/z)2]5/2
特点
1.应力呈轴对称分布
y
0.5 0.4 0.3
K
0.2 0.1
0
P
o αr
y
x
x
M’
R βz
M
z
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
r/z
39
z
P z2
23[1(r/1z)2]5/2
2.P作用线上，r=0, a=3/(2π）,z=0, σz→∞，z→∞，σz=0
u whw
55
3.4 有效应力原理
有效应力：通过粒间接触面传递的应力称为有 效应力，只有有效应力才能使得土体产生压缩 （或固结）和强度。 把研究平面内所有粒间接触面上接触力的法向 分力之和除以所研究平面的总面积所得的平均 应力来定义有效应力
Ns
A
56
3.4 有效应力原理
57
太沙基有效应力原理
竖直偏心
倾斜偏心
矩 形
基 础 形 状条
形
P L
B
P’ B
P
x y
o
L
B
P’ B
P L
B
P’ B
29
矩形面积中心荷载
P
B
x
L
y
pP A
30
pm mianx P AW MP A16Be
P
P
矩形面积单向偏心荷载
P
B
B
B
e x
e Lx
Ke
Lx
L
y
y
3K y pmin0
p max
pmin0 p max
pmin0 p max
土力学PPT第三章
*杭州地铁地下水水头计算
3
在岩土工程中土中水的渗流主要会引起两类工程问题： （1）流量与渗流速度问题
在水利工程中的井、渠、坝及其基础工程中，在土木工程中的 基坑等施工中（见图3-1），人们常关心的是渗透流量的多少和渗 流速度的快慢，相应的措施是改善或降低土的渗透性。
（2）渗透破坏问题（长江溃堤解释） 渗透破坏是指在渗透水流对土骨架的渗透力的作用下，土颗粒
水为脱气水。记录一定时间间隔 t 的渗流量 Q，并用下
式计算渗透系数：
vqQkhk i AL
kT
QL Aht
（cm/s）
式中：Q ——时间 t 秒内渗透水量，cm3；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L —— 相邻测压孔间试样高度，cm；
A —— 试样断面积，cm2；
h —— h1 h 2 , 平均水头差，cm；h1 和 h2
见图35。
间可能发生相对运动甚至整体运动，从而造成地基土体及建造在其 上的建筑物失稳。
4
图3-1 工程中的渗流问题
(a) 基坑人工降水 (b) 基坑排水 (c) 渠道渗流 (d) 堤防渗流
5
3.2 达西定律
法国水利工程师达西(Darcy)于1856年在均匀的砂中进行一维渗 透试验，原理如图3-2。
图3-2 一维渗透试验原理
由此得渗透系数 k 的计算式：k Qln(r2 / r1) h22 h12 在已知土的渗透系数 k 的情况下，也可通过上式计算人工降水的
降水深度。
22
3.3.4 分层土的等效渗透系数
实际地基多是由渗透性不同的多层土组成的，并且每层土的水平 向与垂直向的渗透系数是相差很大的，一般水平向的大得多。
议了以下经验公式：k Cd120，其中C = 0.41.2, 为与土性有关的经验
土力学课件-第3章
浅层平板载荷试验示意图 加荷装置 反力装置 载荷板、垫块及千斤顶 沉降量测装置 百分表、基准桩和基准梁
堆重平台反力法和地锚反力架
《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002）规定：
承压板的底面积为0.25～0.5m2，对软土及人工填 土不应小于0.5m2（正方形边长为0.707m 或圆形 直径为0.798m）；
2）侧限压缩模量 E s ：土的试样在完全侧限条件 下竖向受压，即侧向不能变形的条件。 E s大小反 映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。
体积压缩系数 m v
回弹指数 C e （也
称再压缩指数） Ce << Cc，一般地 Ce ≈ 0.1 ~ 0.2Cc。
土的回弹再压缩曲线
3.2 土的压缩性原位测试
3）地基承载力特征值 f
ak的确定
①有明显的比例界限a 时，取 f ak =p0 ； ③按上述两点不能确定 fak时，当承压板底面积为0.25～ 0.5m2，对低压缩性土和砂土，可取s / d = 0.01 ~ 0.015 对应的荷载值为 f ak ；对中、高压缩性土和砂土，取s / d = 0.02对应荷载为 f ak 。
荷载试验对于同一土层进行的试验点，不应少于三处，当 试验实测值的极差不超过平均值的30%时，取其平均值作 为该土层的地基承载力特征值 f ak ，即 fak=（f ak1+f ak2+f ak3）/3
4）用测微计（百分表）按一定时间间隔测记每级荷载施 加后的读数（ΔHi）； 5）计算每级压力稳定后土试样的孔隙比。
这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。
土的压缩曲线
侧限条件下土样原始孔隙比的变化
土粒体积（高度）不变
土力学基本知识ppt课件
稠度状态与含水量有关
稠度状态 固态 半固态
强结合水 含水量
塑态 弱结合水
流态 自由水
w
稠度界限 缩限WS 塑限wp
液限wL Ip wl wp
强结合水膜最大
出现自由水
粘性土的稠度反映土中水的形态
吸附弱结合 水的能力
塑性指数
粘性土四种物理状态状态：固态、半固态、可塑状 态及流动状态
界限含水率
粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水 率来区分，这种界限含水率称为稠度界限或阿太堡界限
h hm
Δh x
z k1
v
k2
H1 H2 H
H Hm
等效渗透系数:
hm
vHm km
vm
km
hm Hm
vH h
kz
vH kz
vHm km
k3
H3
承压水
H
1
kz
Hm H
1 km
kz
Hm km
H1 1.0m, k1 0.01m / day
算例
H2 1.0m, k 2 1m / day
(1) 水平渗流
1
2 Δh
x
条件:
im
i h L
qx qmx
q1x
z k1
H1
q2x
k2
H2 H
q3x
k3
H3
H Hm
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH Σqmx=ΣkmimHm
1
L
2 不透
水层
1
kx H
Hmkm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Hm H
km
层状地基的等效渗透系数
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水 2.0 力 坡 降 1.5 1.0 0.5 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h) 达西定律 适用范围
v d 10 Re
Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
达西定律的适用范围
§3.2 土的渗流性与渗透规律
两种特例
在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时：
• 结构
水的性质
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
§3.2性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
§3.2 土的渗流性与渗透规律
已知条件 : h h
vi v
i
H
H
i
h z v kz k1 k2 k3 H1
x
达西定律: vi = ki (Δhi / Hi )
v = kz (Δh / H )
等效条件:
hi vH kz v iH ki
i
H2
H3
H
h
vH kz
渗流中的水头与水力坡降
§3.2 土的渗流性与渗透规律
总水头：单位重量水体所具有的能量
h z
u w
v
2
2g
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： h
水的性质
岭石>伊里石>蒙脱石 ；当粘土 中含有可交换的钠离子越多时， 其渗透性将越低 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的 参数
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大
§3.2 土的渗流性与渗透规律
水头与水力坡降 土的渗透试验与
达西定律
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
试验条件:Δh变化 A，a，L=const
t=t1
h1
量测变量: h，t 适用土类：透水性较小 的粘性土
Q A
h2
t=t2
土样
L
水头 测管
开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§3.2 土的渗流性与渗透规律
在tt+dt时段内：
• 入流量： dVe= - adh • 出流量： dVo=kiAdt=k (Δh/L)Adt • 连续性条件：dVe=dVo dh
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：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
学习要点
第三章：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§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
渗流
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
土颗粒
土中水
uB w
u0pa
B
uA w
压力水头：水压力所能引起的自由 水面的升高，表示单位重量液体所 具有的压力势能 测管水头：测管水面到基准面的垂 直距离，等于位置水头和压力水头 之和，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头相等
静水 A zB
0 基准面
zA
0
位置、压力和测管水头
• 结构
水的性质
渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
天然土层多呈层状
• 确立各层土的ki
• 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
层状地基的等效渗透系数
§3.2 土的渗流性与渗透规律 已知条件 :
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 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
§3.2 土的渗流性与渗透规律 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 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ：
Q Aki 2 rh k dr r
Q ln r2 r1 k( h 2 h1 )
2 2
抽水量Q
r
r2 dr
r1
dh
井
dh dr
地下水位≈ 测压管水面 不透水层
h1
h
h2
Q
2 khdh
k
Q ln( r 2 / r1 ) h
2 2
2 h1
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素 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。因此， 土的渗透系数常用有效粒径d10
mv
总能量：
质量 m 压力 u 流速 v 0 基准面
E mgz mg
u w
1 2
mv
2
z
0
单位重量水流的能量：
h z u w v
2
2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
板桩墙
A
基坑
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
§3.2 土的渗流性与渗透规律
r2 r1
观察井
试验条件:
抽水量Q
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
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律
计算公式：
A=2rh i=dh/dr
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
水往低处流
速度v
流速：水具有的动能
水往高处“跑”
压力u
压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置势能： 压力势能：
u w
mgz
mg u w
2
动能：
1 2
z
u w
u
A
w
也称测管水头，是渗流的 总驱动能，渗流总是从水 头高处流向水头低处
hA
zA
A B L
基准面
渗流问题的水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
• A点总水头：h A z A • B点总水头： h B z B
uA
水力坡降线
u
w
A
uB
Δh
uB
w
w
hA zA
A B
ii i h L
i
1 q1x q2x q3x 1 z kx k1 k2 k
3
2
H
H
h x H1 H2 H H3
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqix=Σki ii Hi
等效条件:
qx
q ix
2
不透水层
等效渗透系数:
k
x
1 H
k iH
i
层状地基的水平等效渗透系数
max 1 絮状结构 分散结构 Wop 渗透系数 k 含水量 w
• 结构
水的性质
含水量 w
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 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
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
渗流问题：
1. 渗流量？
2. 渗透破坏？
透水层
3. 渗透力？
不透水层
工程实例
土石坝坝基坝身渗流
§3.1 概述- 渗流问题
板桩墙 渗流问题：
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
工程实例
板桩围护下的基坑渗流
§3.1 概述- 渗流问题
v d 10 Re
Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
达西定律的适用范围
§3.2 土的渗流性与渗透规律
两种特例
在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时：
• 结构
水的性质
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
§3.2性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
§3.2 土的渗流性与渗透规律
已知条件 : h h
vi v
i
H
H
i
h z v kz k1 k2 k3 H1
x
达西定律: vi = ki (Δhi / Hi )
v = kz (Δh / H )
等效条件:
hi vH kz v iH ki
i
H2
H3
H
h
vH kz
渗流中的水头与水力坡降
§3.2 土的渗流性与渗透规律
总水头：单位重量水体所具有的能量
h z
u w
v
2
2g
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： h
水的性质
岭石>伊里石>蒙脱石 ；当粘土 中含有可交换的钠离子越多时， 其渗透性将越低 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的 参数
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大
§3.2 土的渗流性与渗透规律
水头与水力坡降 土的渗透试验与
达西定律
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
试验条件:Δh变化 A，a，L=const
t=t1
h1
量测变量: h，t 适用土类：透水性较小 的粘性土
Q A
h2
t=t2
土样
L
水头 测管
开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§3.2 土的渗流性与渗透规律
在tt+dt时段内：
• 入流量： dVe= - adh • 出流量： dVo=kiAdt=k (Δh/L)Adt • 连续性条件：dVe=dVo dh
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：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
学习要点
第三章：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§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
渗流
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
土颗粒
土中水
uB w
u0pa
B
uA w
压力水头：水压力所能引起的自由 水面的升高，表示单位重量液体所 具有的压力势能 测管水头：测管水面到基准面的垂 直距离，等于位置水头和压力水头 之和，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头相等
静水 A zB
0 基准面
zA
0
位置、压力和测管水头
• 结构
水的性质
渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
天然土层多呈层状
• 确立各层土的ki
• 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
层状地基的等效渗透系数
§3.2 土的渗流性与渗透规律 已知条件 :
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 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
§3.2 土的渗流性与渗透规律 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 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ：
Q Aki 2 rh k dr r
Q ln r2 r1 k( h 2 h1 )
2 2
抽水量Q
r
r2 dr
r1
dh
井
dh dr
地下水位≈ 测压管水面 不透水层
h1
h
h2
Q
2 khdh
k
Q ln( r 2 / r1 ) h
2 2
2 h1
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素 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。因此， 土的渗透系数常用有效粒径d10
mv
总能量：
质量 m 压力 u 流速 v 0 基准面
E mgz mg
u w
1 2
mv
2
z
0
单位重量水流的能量：
h z u w v
2
2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
板桩墙
A
基坑
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
§3.2 土的渗流性与渗透规律
r2 r1
观察井
试验条件:
抽水量Q
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
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律
计算公式：
A=2rh i=dh/dr
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
水往低处流
速度v
流速：水具有的动能
水往高处“跑”
压力u
压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置势能： 压力势能：
u w
mgz
mg u w
2
动能：
1 2
z
u w
u
A
w
也称测管水头，是渗流的 总驱动能，渗流总是从水 头高处流向水头低处
hA
zA
A B L
基准面
渗流问题的水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
• A点总水头：h A z A • B点总水头： h B z B
uA
水力坡降线
u
w
A
uB
Δh
uB
w
w
hA zA
A B
ii i h L
i
1 q1x q2x q3x 1 z kx k1 k2 k
3
2
H
H
h x H1 H2 H H3
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqix=Σki ii Hi
等效条件:
qx
q ix
2
不透水层
等效渗透系数:
k
x
1 H
k iH
i
层状地基的水平等效渗透系数
max 1 絮状结构 分散结构 Wop 渗透系数 k 含水量 w
• 结构
水的性质
含水量 w
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 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
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
渗流问题：
1. 渗流量？
2. 渗透破坏？
透水层
3. 渗透力？
不透水层
工程实例
土石坝坝基坝身渗流
§3.1 概述- 渗流问题
板桩墙 渗流问题：
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
工程实例
板桩围护下的基坑渗流
§3.1 概述- 渗流问题