土的渗透性及渗流教学教材

板桩墙
基坑
透水层 不透水层
A
B L
§3 土的渗透性及渗流 §3.2 土的渗透性 3.2.1 渗流基本概念
总水头－单位质量水体所具有的能量
p v2 hz
w 2g
z：位置水头 p/γw：压力水头 V2/(2g)：流速水头≈0
总水头： h z p w
A点总水头：
pA w
h1 zA
0
A
B L
基准面
B点总水头：
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
§3 土的渗透性及渗流 §3.2 土的渗透性 3.2.1 渗流基本概念
一．渗流中的水头 (伯努力定理1738)
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。
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性3.2.2层流渗透定律
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
两种特例
粗粒土： ①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s 粘性土： 致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
k QL AΔht
适用土类：透水性较大的砂性土
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
1.室内渗透试验测定渗透系数
常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土
透水性较小的粘性土
• 室内试验方法2—变水头试验法 ▪试验装置：如图 ▪试验条件: Δh变化，A，L=const
▪量测变量: Δh ，t
条件
已知 等效 推定
水平渗流情形
q qi;H Hi;
ii
i
h L
H1,H2...k;1...
qkxiH
1
kx
H
kiHi
垂直渗流情形
q1 q2 ...q ;
Δhhi;HHi
H1,H2...k;1,k2...
vkzi
kz
h H
k z
H Hi
ki
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数 ５. 成层土的等效渗透系数
水力坡降： i h
L
h1
zA
pA
w
h2
zB
pB
w
h1h2h
Δh
pB
w h2 zB
0
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性3.2.2层流渗透定律
达西定律 渗透定律
vi
vki
A
Av
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
1.室内渗透试验测定渗透系数
条件 已知 测定 算式 取值 适用
常水头试验
Δh=const Δh，A，L
Q，t k QL
AΔht
重复试验后，取均值
Hale Waihona Puke Baidu
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t k aL lnΔ1h A(2tt1) Δ h2
不同时段试验，取均值
粗粒土
粘性土
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
竖直渗流:
条件: qi q
h hi
HHi
等效渗透系数:
qi = ki (Δhi/Hi)
Δhi
qHi ki
Δh qH kz
qH qHi
kz
ki
k z
H Hi
ki
z k1
q
k2
k3
承压水
Δh x
H1 H2 H H3
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数 ５. 成层土的等效渗透系数
水平渗流
条件:
ii
i
h L
qx qi x
HHi
等效渗透系数:
1
2 Δh
x
q1x
z k1
H1
q2x
k2
H2 H
qx=vxH=kxiH
q3x
k3
H3
Σqix=ΣkiiiHi
kx
1 H
kiHi
1 L
2 不透水层
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数 ５. 成层土的等效渗透系数
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。
注意：
V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
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
vs
v n
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性3.2.2层流渗透定律
t2 t1
d
tkaALΔ Δ12hhΔ dhh
dt aLdh kAh
kA
aL l (2tt1)
nΔ1h Δ2h
k2
.3 aL l A(2t-t1)
gΔ1h Δ2h
▪结果整理:
(3-12b)
选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应的k，取平均值
t t+ Δt
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
§3 土的渗透性及渗流
§3.1 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土的孔隙流向水位 较低的一侧。
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
§3 土的渗透性及渗流 概述
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
v vcr o
v
o i0
v ki m (m 1)
i
i
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
1.室内渗透试验测定渗透系数
• 室内试验方法1—常水头试验法
▪试验装置：如图 ▪试验条件: Δh，A，L=const
▪量测变量: Q，t
▪结果整理
q=Q/t q=kAi i=Δh/L
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性
3.2.3渗透试验及渗透系数
1.室内渗透试验测定渗透系数
• 室内试验方法2—变水头试验法
▪理论依据:
t时刻： Δh Δt dh
流入量：dQr= - adh 流出量：dQc=kiAdt=k (Δh/L)Adt
连续性条件： dQr=dQc
-adh =k (Δh/L)Adt
2.现场测定渗透系数 方法同《地下水动力学》略
3.影响渗透系数的主要因素
k f(土粒特性、流体特性）
✓粒径大小及级配 ✓土的密实度 ✓土的结构 ✓土的构造
水的动力粘滞系数η 饱和度（含气量）
—对k影响很大，封闭气泡
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
4. 渗透系数k的经验确定方法 (自学教材p70～ p7１) ５. 成层土的等效渗透系数