土的渗透性分析
土力学第三章土的渗透性
土体的临界状 态-2
• 土体中的有效应力： 当土体处于临界状态时，渗流方向从下往上，这时，渗透 力等于土样的浮容重，土体中的有效应力为：
=h2-h
=h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0
说明： 有效应力为0，表明土颗粒间不存在接触应力，在渗流作用 下，试样处于即将被浮动的临界状态。 所以，土体的渗透变形取决于土的浮容重与向上的渗透力的 大小。
vk(iib)
粘性土的渗透性：
相同水力坡降条件下，水在 砂土中可以流动，
而在粘性土中只有水力坡降 大于起始水力坡降时才流动
起始水力坡降ib：
由于粘性土的颗粒之间存在连接 力所致。
渗透系数的测 定
试验方法：
常水头试验：
常水头试验、变水头 试验
k
QL
Aht
在试验过程中水头始终 保持不变，适用于粗粒 土。
有效应力和孔 隙水压力
• 外荷载分担： 外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部分由孔 隙水承担，一部分由孔隙气体承担。 对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。
• 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。
• 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。
成正比；
渗透力的方向与渗 流方向一致；
3
当渗流方向与土体的重力
方向相反时，渗流的运动 5
对土体的稳定有影响。
2
单位体积渗透力是 一的重心处。
渗透变形
• 渗透变形：指渗透水流导致土体发生变形或破坏的现象。 • 渗透变形的形式： 流土、管涌 • 流土：
指粘性土或非粘性土在渗透水流作用下，土中某一部分 土体同时发生移动的现象，发生于渗流出逸处。 • 管涌： 非粘性土在渗透水流作用下，土中细小颗粒沿着粗大颗 粒间的孔 隙被带出到土体外面的现象，发生于土体内 部或渗流出逸处。
土力学 第2章 土的渗透性
n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v
vs
v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
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。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土：近似适用： v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0：起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1，利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k，然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点：设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点：取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土，导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗，延长渗径；下 游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例：
2003年7月1日，上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故，防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数，通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义：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。 长期管涌破坏土的结构，最终导致土体内形成贯通的渗流 管道，造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件
土的渗透性及水的渗流
m
kjH j
j 1
三、渗透系数的室内测定
渗透系数不能用理论方法求得，只能通过试验确定。
测定k值室内方法：定水头法、变水头法。
（1）定水头法
保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的
水量为Q，求k：
注水
根据达西定律
v Q ki k h
t.A
L
k QL A t h
L
h
适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂
uA
i h L
△h代表单位重量液体从A点向B点流动时， 为克服阻力而损失的能量。
水力梯度:
水力坡降i 的物理意义为单位渗流长度上的 水力损失。
L为A、B两点间的渗流途径。
2024/11/15
例2-1 如图，求
一．a-a、b-b、c-c静水头 和总水头。
二．a-a至c-c,a-a至b-b,bb至c-c的水头损失；
例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后， 实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关 物理力学性质指标如下：
sat 18.7kn / m3
k 4.5102 m m/ s
试求渗透水流的平均速度和 动水力(渗透力)，并判断是 否会产生流砂现象？
5.5m
细砂层
分析：1 v ki
v—断面平均渗透速度， 单位m/s或m/d； k—土的渗透系数 单位同v.
流速与水力梯度的 关系－砂土 砂土的水力梯度与 渗透速度呈线性关 系，符合达西渗透 定律。
适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土， 很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。
单位时间流过土截面A的水量q
流速与水力梯度的关系－粘土
则渗透系数k:
2.3 q lg( r2 )
土的渗透性及渗流
x
§2 土旳渗透性和渗流问题 §2.3 平面渗流与流网
一. 平面渗流旳基本方程及求解 1. 基本方程
▪ 连续性条件
dqe vxdz vzdx
dqo
(vx
v x x
dx)dz
(vz
v z z
dz)dx
dqe dqo
vx vz 0 x z
z
vz
vz z
dz
vx
v
x
vx x
dx
vz
x
▪ 达西定律
§2 土旳渗透性和渗流问题 §2.3 平面渗流与流网
二.流网旳绘制及应用
▪ 流 网——渗流场中旳两族相互正交曲线——等势线和流线所形成旳 网络状曲线簇。 ▪ 流 线——水质点运动旳轨迹线。 ▪ 等势线——测管水头相同旳点之连线 。 ▪ 流网法——经过绘制流线与势线旳网络状曲线簇来求解渗流问题。
△h
第二章 土旳渗透性和渗流问题
§2 土旳渗透性和渗流问题
2.1 概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水、气等在土体孔隙中流动旳现象
渗流
土具有被水、气等液体透过旳性质
渗透性
渗透特征 强度特征 变形特征
非饱和土旳渗透性 饱和土旳渗透性
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1 概述 土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流量 渗透变形
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1概述 板桩围护下旳基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
§2 土旳渗透性和渗流问题 2.1 概述 水井渗流
《土的渗透性 》课件
土的渗透性对城 市发展的影响： 土的渗透性影响 城市排水系统的 运行，对城市可 持续发展具有重 要影响
土的渗透性对生 态环境的影响： 土的渗透性影响 地下水的补给和 排泄，对生态环 境的可持续发展 具有重要影响
THANKS
汇报人：
室内测定方法
渗透仪法：通 过测量渗透仪 中的水压变化 来测定土的渗
透性
渗透仪法：通 过测量渗透仪 中的水压变化 来测定土的渗
透性
渗透仪法：通 过测量渗透仪 中的水压变化 来测定土的渗
透性
渗透仪法：通 过测量渗透仪 中的水压变化 来测定土的渗
透性
渗透系数的确定
渗透系数的定义：表示土体允许水通过的能力 测定方法：通过测定土体的水头梯度和水流量，计算渗透系数 影响因素：土体的颗粒大小、孔隙率、渗透率等 应用：用于工程设计、地下水研究等领域
土的渗透性
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 影 响 土 的 渗 透 性 的 因 素 05 土 的 渗 透 性 的 测 定 方 法 07 土 的 渗 透 性 与 可 持 续 发 展
的关系
02 土 的 渗 透 性 定 义 04 土 的 渗 透 性 与 系
Part One
单击添加章节标题
Part Two
土的渗透性定义
土的渗透性概念
土的渗透性是 指土体允许水 或其他液体通
过的能力
渗透性是土的 重要物理性质 之一，影响土
的工程性质
渗透性受土的 颗粒大小、形 状、排列方式
等因素影响
渗透性是土力 学、水文学、 环境科学等领 域的重要研究
内容
渗透性的物理意义
渗透系数的应用
水利工程：计算地下水渗流、水库渗漏等 环境工程：评估土壤污染风险、地下水污染防治等 土木工程：地基处理、地下工程设计等 农业工程：土壤水分管理、灌溉系统设计等
第二章土的渗透性
第⼆章⼟的渗透性第⼆章⼟的渗透性⼀、学习基本要求⼟的渗透性是⼟⼒学中所研究的三个主要性质之⼀，本章学习基本要求如下：1.知识点与教学要求1.1达西定律1.1.1掌握达西定律及其适⽤条件，渗透系数k的物理意义。
1.1.2理解各种⼟体的渗透规律。
1.1.3了解渗透流速与实际流速的关系。
1.2渗透系数的测定1.2.1掌握渗透试验⽅法和适⽤条件。
1.2.2理解影响渗透系数的因素和各种⼟渗透系数的取值范围。
1.2.3了解成层⼟渗透系数的确定。
1.3渗流作⽤下⼟的应⼒状态1.3.1掌握渗透⼒的概念和计算。
1.3.2理解有效应⼒原理及渗流作⽤下⼟中有效应⼒和孔隙⽔应⼒的计算。
1.3.3了解静⽔条件下⼟中的孔隙⽔应⼒和有效应⼒的计算。
1.4渗透变形1.4.1掌握渗透变形的基本形式、产⽣原因、发⽣部位及临界⽔⼒坡降的确定。
1.4.2理解渗透变形的判别⽅法。
1.4.3了解渗透变形的防治措施。
1.5流⽹在渗流计算中的作⽤1.5.1掌握流⽹在⼯程中的应⽤。
1.5.2理解流⽹特性。
1.5.3了解流⽹、流线与等势线的概念。
2.能⼒培养要求2.1能根据具体情况判别渗透变形，并能选择恰当的处理办法。
2.2能根据试验确定⼟体的渗透系数。
⼆、考核知识点1、达西定律1.1⼟的渗透性概念（1）渗流现象；（2）⼟的渗透性；（3）渗流引起的问题。
1.2达西定律（1）达西定律内容；（2）渗透系数k的物理意义；（3）渗透流速v与实际流速v 的关系。
1.3达西定律的适⽤范围（1）适⽤于层流状态；（2）密实粘⼟中的渗透规律；（3）某些粗粒⼟（如砾类⼟）和巨粒⼟中的渗透规律。
2、渗透系数的测定2.1常⽔头试验法（1）适⽤情况；（2）渗透系数的计算公式。
2.2变⽔头试验法（1）适⽤情况；（2）渗透系数的计算公式。
2.3影响渗透系数的主要因素2.4成层⼟的渗透系数（1）平⾏层⾯渗透性；（2）垂直于层⾯渗流。
3、渗流作⽤下⼟中应⼒状态3.1有效应⼒原理要点（1）饱和⼟体内有效应⼒和孔隙⽔应⼒的概念；（2）有效应⼒原理关系式；（3）⼟的压缩（变形）和强度都取决于有效应⼒的变化。
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。
高质量混泥土的孔结构特性与渗透性分析
高质量混泥土的孔结构特性与渗透性分析混凝土是广泛应用于建筑、道路等工程中的重要材料，其性能直接关系到工程的质量和使用寿命。
混凝土的渗透性是一个重要的特性，它影响着混凝土的耐久性和耐候性。
探究混凝土的孔结构特性与渗透性之间的关系，对于改善混凝土的性能具有重要意义。
本文将分析高质量混凝土的孔结构特性与渗透性，探讨它们之间的关系。
一、混凝土的孔结构特性1. 孔隙率孔隙率是指混凝土体积中孔隙占据的比例，一般以百分数表示。
孔隙率越大，混凝土的渗透性越高。
影响孔隙率的因素包括混凝土配合比、水胶比、水泥用量等。
2. 孔隙分布混凝土中的孔隙可以分为大孔和小孔两种。
大孔对混凝土的渗透性影响较大，而小孔对渗透性的影响较小。
因此，减少大孔的存在并增加小孔的数量，可以显著降低混凝土的渗透性。
3. 孔隙连通性混凝土中的孔隙是否连通也会影响其渗透性。
如果孔隙之间存在较多的连通路径，水分能够更容易地通过孔隙体系渗透，从而提高渗透性。
二、混凝土的渗透性分析1. 渗透系数渗透系数用于描述混凝土中水分通过孔隙体系传递的能力。
渗透系数越大，混凝土的渗透性就越高。
可以通过实验或模型计算来确定混凝土的渗透系数。
2. 渗透压力渗透压力是水分通过孔隙体系时所产生的压力。
当渗透压力增大时，混凝土的渗透性也会增大。
因此，控制渗透压力可以有效地改善混凝土的渗透性。
3. 孔径大小混凝土中孔隙的孔径大小对渗透性有一定的影响。
当孔径较大时，水分更容易通过孔隙体系渗透，从而增加了混凝土的渗透性。
因此，控制孔径大小可以有效地控制混凝土的渗透性。
三、混凝土孔结构特性与渗透性的关系1. 孔隙率与渗透性孔隙率是混凝土孔结构的重要参数，它直接影响着混凝土的渗透性。
孔隙率越大，混凝土的渗透性越高。
因此，在混凝土的配制过程中，需要注意控制好混凝土的孔隙率，以降低渗透性。
2. 孔隙分布与渗透性混凝土中的大孔和小孔对渗透性的影响不同。
大孔更容易导致渗透性增加，而小孔对渗透性的影响相对较小。
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。
土力学_第3章(土的渗透性及土的有效应力)
Байду номын сангаас室内试验
渗透系数测定 现场试验
常 水 头 变 水 头 抽水试验 注水试验
<10-3cm/s 的粉土和 粘土
①常水头渗透试验 截面积为A，流径L；
压力水头维持不变； 试验开始时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得a、b两点水头差h。
则得：
a
k>10-3cm/s 的砂土
（2）渗透力
定义：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力为渗透力 j。 体积力，单位：kn/m3
渗流流过土体，土颗粒对水流产生阻力，造成水头损失h。
j i w
1 公式推导请见清华—土力学，p56-57
2 a
H
h
（3）渗流作用下土的有效应力 （A）渗流向下流动时的a点有效应力
1
H
h
' h 'h w
由此求得渗透系数：
h0 aL k ln( ) A(t1 t 0 ) h1
变水头渗透试验装置
③现场抽水（注水）试验
Q r2 k ln 2 2 (h2 h1 ) r1
（摘自：清华—土力学，p44）
nv ' L k h
（？）
④利用渗透系数判断土层的透水性
（a）强透水层：K > 10-3cm/s （b）中等透水层： K ＝ 10-3 ～ 10-5 cm/s
二、达西定律及其适用范围
（1）土中水的渗流
水流
①渗流：水在土体孔隙中流动的现象。（清华—土力学） ②渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。
（冯国栋—土力学）
水头：单位重量的水所具有的能量。总水头＝势水头＋压力水头＋动水头
土的渗透性名词解释
土的渗透性名词解释土的渗透性是指土壤中水分透过土壤孔隙的能力，即水分在土壤中的渗透性。
土壤渗透性的好坏直接影响着土壤的保水能力、通气性和适宜作物生长的能力。
土壤渗透性受多种因素影响，首先是土壤颗粒的大小和排列方式。
颗粒较大且排列较散乱的土壤，间隙较大，容易渗透水分；相反，颗粒较小且排列较紧密的土壤，间隙较小，水分渗透性较差。
其次，土壤的质地也会影响渗透性。
砂壤土粒径较大，孔隙度较高，渗透性好；粘壤土含有较多的黏土颗粒，质地较细粒，容易产生粘结作用，导致渗透性较差。
此外，土壤的含水量也会对渗透性产生影响。
土壤的含水量越高，间隙中水分的饱和度越大，渗透能力会下降。
另外，土壤的有机质含量也会影响渗透性。
有机质能改善土壤结构，增加土壤颗粒之间的间隙，提高土壤的渗透性。
土壤渗透性对土壤的保水能力影响很大。
渗透性好的土壤可以迅速将水分渗透到深层，减少地表面的积水，有利于作物根系的生长和生理活动。
而渗透性差的土壤则容易产生积水，影响作物根系的通气和供水，导致植物根系透气性差，根系部分腐烂，从而影响作物的正常生长和产量。
渗透性对土壤肥力的影响也是很大的。
渗透性好的土壤，水分的渗透能力强，容易形成适宜作物生长的水分环境，有利于水分和养分的顺利吸收和转运。
而渗透性差的土壤，水分和养分不易渗透，往往会导致水肥不平衡，使部分养分流失，影响作物的养分吸收和利用能力。
另外，土壤渗透性还与水文循环密切相关。
渗透性差的土壤会导致水分滞留在很小的空隙中，容易出现水分累积和沉积，增加了土壤的饱和度，从而影响土壤的排水能力。
砂壤土的渗透性好，有利于将水分尽快渗透到深层，减轻地表径流的产生，减少水土流失。
总之，土壤渗透性是衡量土壤水分透过能力的一个重要指标，直接影响土壤的保水能力、通气性和适宜作物生长的能力。
因此，在土壤管理中要注重提高土壤的渗透性，采取措施改善植株根际土壤的水分环境，促进植物的健康生长。
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
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
土的渗透性详解
ib
流速与水力梯度的关系－粘土
粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力 梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力 梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性 关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地 渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表 示。
v k i i0
流速与水力梯度的关系－砾土
在粗粒土中（砾、卵 石等），只有在小的 水力梯度下，渗透速 度与水力梯度才呈非 线性关系，而在较大 的水力梯度下，水在 土中流动进入紊流状 态，渗透速度与水力 梯度呈非线性关系， 此时达西定律同样不 能适用
土的渗透性
一 概述
土是具有连续孔 隙的介质。当土 作为建筑物的地 基和直接用作建 筑材料时，水就 会在水位差的作 用下，从水位较 高的一侧透过渗墙
防渗墙 防渗墙射水法施工
渗透的定义及土的渗透性
水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损 失，影响工程效益；另一方面将引起土体内 部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物 或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事 故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以 及工程施工都有非常重要的影响
土的问题
土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态 的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变 化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变 形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于 水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、 堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内 的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分 的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗 透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面 下沉问题。
土类 渗透系数k(cm/s) >10-1 纯砾 10-3~10-1 纯砾与砾混合物 10-5~10-3 极细砂
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渗透变形
流土示意图
5 渗流对工程稳定性造成的破坏
（2）定义及产生的条件
流土：在向上的渗透水流作用下，表层土均布范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。 管涌：在渗流水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中 移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增 加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形 成贯通的渗流管道，造成土体坍塌。
粘性土： 致密的粘土存在起始水力坡降 i>ib, v=k(i - ib )
v k i i b
ib 密实粘土
i
3 渗透系数的测定方法
（1）测定方法
K >10-3cm/s 的砂土
室内试验 渗透系数测定 现场试验
常 水 头 变 水 头 抽水试验 注水试验
k<10-3cm/s 的粉土和 粘土
3 渗透系数的测定方法
变水头渗透试验装置
仪器主要由上盖、底座、套座、 环刀、透水石、螺杆等组成。
3 渗透系数的测定方法
常水头试验 条件 已知 测定 算定 取值 适用
Δh=const Δh，A，L Q， t
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t
k aL h ln 1 At 2 t1 h2
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
q v k i A
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
3 渗透系数的测定方法
①常水头渗透试验 截面积为A，流径L；
压力水头维持不变； 试验开始时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得a、b两点水头差h。
则得：
k>10-3cm/s 的砂土
常水头试验示意图
h Q qt kiAt k At L
故，渗透系数为：
悬浮状态
土颗粒接触点
向上渗流
5 渗流对工程稳定性造成的破坏
流土 现象 位置 土类 历时 后果
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
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
土的性质
• 土颗粒的粒径、级配和矿物成分（大）
• 土的结构和构造 • 孔隙比或孔隙率（大） • 土的饱和度？
水的性质
k cd
2 10
d10—含量小于10%的
粒径，cm；
c—经验系数，40-150 之间。 （摘自：清华-土力学）
e lg k
• 水的动力粘滞度
5 渗流对工程稳定性造成的破坏
3 渗透系数的测定方法
流入和流出相等：
adt k (h / L) Adt
即
aL dt dh kAh
整理并积分得
t1
t0
dt
h1
h0
aL dh ( ) kA h
aL h0 t1 t 0 ln( ) kA h1
由此求得渗透系数：
h0 aL k ln( ) A(t1 t 0 ) h1
Vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
n
Ar A
A > Ar q＝VA ＝ VrAr
v v vr n
2 达西渗透定律
2.1 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 砾土 v
vk i
i
2.2 两种特例
粗粒土：
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 v k i
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
流土与管涌的比较
QL AΔht 重复试验后，取均值 k=
不同时段试验，取均值 粘性土
粗粒土
3 渗透系数的测定方法
利用渗透系数判断土层的透水性
（a）强透水层：K > 10-3cm/s
（b）中等透水层： K ＝ 10-3 ～ 10-5 cm/s
（c）弱透水层（相对不透水层）： K < 10-6cm/s
渗透系数参考值
4 渗透系数的影响因素
土的渗透试验
1 土的渗透性
土 碎散性
多孔介质
三相体系
能量差 渗透特性 强度特性 变形特性
孔隙流体流动
渗流
互相关联
土力学重 要课题 互相影响
土颗粒
土中水
水、液体等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、液体等透过的性质
渗流 渗透性
土的渗透对工程会产生两个问题： （a）渗漏问题； （b）渗透稳定性问题
2 达西渗透定律
k QL hAt源自3 渗透系数的测定方法②变水头渗透试验
土样的截面积A，高度为L 储水管截面积为a 试验开始储水管水头为h0
经过时间t后降为h1
时间dt内水头降低dh，水量为：
dQ adh
另外： 变水头渗透试验示意图
k<10-3cm/s的 粉土和粘土
dQ kiAdt k (h / L) Adt