第2章渗流与渗透性详解

p
渗流的总水头：
h z
w
pA
也称测管水头，是渗流的总驱动能， w
渗流总是从水头高处流向水头低处 hA zA
水力坡降线
A B
L
基准面
Δh
pB
w hB zB
渗流问题的水头
2.2 土的渗透性
• A点总水头： • B点总水头：
hA

zA

pA w
hB
ຫໍສະໝຸດ Baidu

zB

pB w
• 二点总水头差：反映了两点间水 流由于摩阻力造成的能量损失
• 它是土体产生流土、管涌等渗透变形的动因，造成了形形色色的工程问题与 工程事故。
• 土中水对于土的作用还表现为破坏土的结构，造成矿物软化与风化、颗粒间 的润滑作用等，这些作用造成士的湿陷性、膨胀土的胀缩、冻土的冻胀和融 陷、水力劈裂;土中水及其渗流还会改变土的自重、强度和荷载，引发与抗 滑稳定有关的问题。
4
详说
• 1.土中三相间相互作用
• 土是由固、液和气三相构成的。
• 首先是固体颗粒间的相互作用。在土体受力时有效应力通过颗粒的接触点传递应力， 颗粒矿物本身的弹性变形是极微小的，颗粒的位移、转动、重排列是土体变形的主 体，而颗粒的破碎、接触点的破损促进了变形的发展，也就在宏观上表现为塑性应 变。这就形成了土体变形的弹塑性、压密性、剪胀性、应变软化、流变性和循环加 载时的回滞圈和l减载体缩等一系列独特的变形特性 也表现为变形受应力状态、应力 历史和应力路径的影响等复杂的性状，目前还没有一种本构模型能够准确地描述所 有这些变形特性。
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 q ki 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 Vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
A
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
2.2 土的渗透性
总水头（伯努利定理）：
单位重量水体所具有的能量
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
h v2 p z
2g w
压力水头p/w：水体的压力势能（p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）
土石坝坝基坝身渗流
工程应用的 需要
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？
2.1概 述 板桩围护下的基坑渗流：
板桩墙
基坑
不透水层
透水层
渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
水井渗流：
2.1概 述
Q
天然水面
透水层 不透水层
渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？
n Ar A
A > Ar
q＝VA ＝ VrAr
v

vr

v n
2.2 土的渗透性
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
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
vk i
v
vcr
vk i
o
i
砾土
v
v ki ib
土力学地基基础 姚天举
CONTENT第2章 土的渗透性与渗流 01 概述
02 土的渗透性 03 二维渗流与流网 04 渗流力与渗流破坏
PART ONE
概述
总体概括
• 一定要记住土是三相体，散粒体。 • 主要性能靠起骨架作用的土粒来支撑 • 骨架之间的空隙具有水、气体 • 水对土的性能也有很大的影响 • 如果水流动起来，影响更大。（今天讲解）
2.1概 述
三相体系
土
碎散性
多孔介质
孔隙流体流动
能量差
渗流
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
渗透特性 强度特性 变形特性
互相关 联
互相影 响
土力学重要 课题
渗流 渗透性
土的渗透性研究
防渗体
2.1概 述
渗流量
渗透破坏
三个问题
渗流控制
坝体
浸润线
透水层 不透水层
2.1概 述
渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？
降雨入渗引起的滑坡
2.2 土的渗透性
一．渗流中的水头与水力坡降 二．渗透试验与达西定律
三．渗透系数的测定及影响因素 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
2.2 土的渗透性 一、渗流中的水头与水力坡降
板桩墙 基坑
粘性土： 致密的粘土存在起始水力坡降 i>ib, v=k(i - ib )
ib
i
密实粘土
2.2 土的渗透性 三、渗透系数的测定及影响因素 1. 测定方法
室内试验测定方法 野外试验测定方法
常水头试验法 变水头试验法
井孔抽水试验 井孔注水试验
2.2 土的渗透性
室内试验方法1—常水头试验法
▪试验装置：如图
pA w
hA zA
A
L
基准面
水力坡降线
Δh
pB
B
w hB
zB
h

hA
hB

pA W

z
A



pB W
zB

• 水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失
水力梯度
i h L
2.2 土的渗透性
土中的渗流基本处于层流 状态，即：
vi
渗流速度随水力梯度变化
• 第二：
• 饱和土体的性状表现在土骨架与孔隙水间的相互作用。最突出的是所加的总 应力为土骨架和孔隙水共同承担，亦即有效应力原理，这是土力学的标志性 的原理，超静孔隙水压力在固结过程中不断消散，总应力不断转化为有效应 力成为渗流固结理论的基础。 σ= σ1 十u
• 士中水在水头差作用下发生流动，其规律服从达西定律。渗透水流对于土骨 架产生推动和拖曳作用，这就是渗透力，其大小表示为j = iYw
2.2 土的渗透性
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
Q
▪试验条件: h1，A，L=const
▪量测变量: h2，V，t ▪试验结果:
q A h L
L
Q
q kA h kAi 或 v q k i
L
A
达西定律
A
透水石
h1
h2
h
2.2 土的渗透性
▪试验条件: Δh，A，L=const
h
▪量测变量:渗水量Q，t
▪结果整理：
A
q=Q/t=Av v=ki
i=Δh/L
k QL Aht
土样
L Q
适用土类：透水性较大的砂性土