第2章 土的渗透性及渗流总结
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第2章
土的渗透性及渗流
2.2 土的水理性质 2.4 达西定律 及其适用范围
2.1 土的渗透性及 举例 2.3 地下水的 运动方式和判别 2.5 渗透系数 2.7 渗流力、流沙 和潜蚀的危害及防治
2.6 二维渗流 及流网应用
2.8 渗流情况下的 有效应力和孔隙水压力
§2.1 土的渗透性及举例
渗透：在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。
天然水面
渗透变形
透水层 不透水层 水井渗流
§2.2 土的水理性质
土的水理性质是指土体在水的作用及其变化的
条件下，产生的土的物理、力学状态及性质的变化
以及对工程的影响。
包括：毛细水现象，粘性土含水状态特征及水
- 土系统的胶体特征，黄土的湿陷性，膨胀土特征，
饱和松砂的地震液化，潜蚀和流沙现象，粘性土的
QL k Aht
常水头试验装置示意图
适用：透水性强无粘性土
§2.5 渗透系数
2.变水头法（室内试验）
a
dQ adh 流过试样的水流量为： 根据达西定律，有： dQ kA h dt L aL dh dt kA h t2 h2 aL dh dt 达西定律 t1 h1 kA h aL h k ln 1 A(t2 t1 ) h2 aL h1 k 2.3 lg A(t2 t 1) h2 适用：透水性弱的粘性土
使冰晶体不断扩大，土层中形成冰夹层，土体发生隆
起。 融陷：土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土 体随之下陷。 冻融对工程影响：
路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝、
折断，房屋、桥梁、涵管下沉或不均匀沉降等。
§2.2 土的水理性质
影响冻胀的因素： （1）土：毛细水现象严重的细粒土，如：粉 砂、粉土、粉质粘土。 （2）水：水分的迁移和集聚。若冻结区附近
2、对砾土（粗颗粒）：
只有在水力坡降很小的情况下才能适用；在较大水力梯 度下，水在土中的流动进入湍流状态，渗流速度与水力
百度文库
梯度呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图（c）
所示。
§2.4 达西定律及其适用范围
必须指出，由式(2.4.1)求出的渗透速度 v 是
一种假想的平均流速，因为它假定水在土中的渗透是
k (i i0 )
砾石、卵石的粗颗粒，一般速度较大，会有湍 流发生，达西定律不适用，采用经验公式求v。
两种特殊情况： 1、对粘性土： v k (i i0 ) 对于粘性很大的密实粘土，有一 起始坡降i0 ，当i < i0 时没有渗流
发生；只有当 i > i0 时，渗流才
能发生,如右下图所示。
土的渗透性：土具有被水透过的性质。 主要内容 水在土体中的渗透规律
渗透过程中土体的变形
在渗流作用下的有效应力和孔隙水压力
石坝坝基坝身渗流
石坝
浸润线
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网 渗流量 水头梯度 渗透压力 渗透变形 渗透力与渗透变形 渗流滑坡
土坡稳定分析
板桩围护下的基坑渗流 板桩墙 渗透压力 基坑 渗流量 透水层 不透水层 Q
含水量与夯实等等。
§2.2 土的水理性质
2.2.1 土的毛细水性质
土的毛细现象：土中水在表面张力作用下沿着细小孔隙
向上或其它方向移动的现象。
土的毛细现象对工程的影响： 1）毛细水的上升会引起路基冻害； 2 ）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过 分潮湿，在建筑物基础顶面附近专门设置防潮层； 3 ）毛细水的上升可能会引起土的沼泽化和盐渍化， 对工业及农业经济都有影响。
的渗流速度与能量损失之
间服从线性渗流定律。 公式：
Q H k ki A L
渗流装置示意图
v为渗透速度，Q为单位时间的流量，k为渗透系数，i为水头梯度 渗透速度定义：单位时间内流过断面面积的水量。
§2.4 达西定律及其适用范围
砂土渗透速度符合达西定律： H ki k L 粘性土渗透速度应考虑起始水头梯度：
通过整个土体截面来进行的，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v’ 要比假想 的平均流速大很多。 它们之间的关系为：
A' e v v vn v A 1 e
§2.5 渗透系数
2.5.1 渗透系数k的测定：室内试验和现场试验 1.常水头法（室内试验）
Q At ki At h k At L
变水头试验装置示意图
【例2】 设变水头试验时，黏土试样的截面积为 30cm 2，厚度为 4cm ；渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm， 试验开始时，水位差为 160cm ，经时段 7 min 25s ，观测 的水位差为 145cm ，试验时水温为20 C ,试求试样的渗 透系数。 2 A 30 cm 【解】已知面积 ，渗流长度L 4cm ，细玻 2 d 璃管的内径截面积 a (0.4) 2 0.126cm 2 。h1 160cm， 4 4 h2 145cm，t1 0, t2 7 60s 25s 445s ，由式2.5.2可求 得：
地下水位较高，冻胀现象明显。
（3）温度：若气温缓慢下降，冷却强度小，
但负温持续时间较长。
§2.2 土的水理性质
上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要
条件。其结论是：在持续负温作用下，地下水位较
高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的 冻胀危害。 主要措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深 度（可查有关规范）以下，基础的侧面回填中砂或 粗砂等不冻胀的材料，以防止冻害的影响。
§2.3 地下水的运动方式和判别
2.3.1 地下水运动的基本方式
1.按地下水的流线形态： 层流：流线互相平行、水流平稳、流速均匀 湍流（紊流）：流线不规则、漩涡 2.按水流特征随时间的变化状况： 水位、水压力等运动特征不随时间而改变。 非稳定流运动：在渗流场中，若任一点的流速、流
稳定流运动：在渗流场中，若任一点的流速、流向、
向、水位、水压力等运动要素均随时间而变化。
§2.3 地下水的运动方式和判别
3.按水流在空间上的分布状况： 一维：单向流动 二维：地下水的流动和两个坐标方向有关 三维流动：水的流动沿三个坐标轴方向都有 分速度
§2.4 达西定律及其适用范围
达西定律 — 层流渗透定律（H. Darcy，1856） 是指层流状态下，土中水
§2.2 土的水理性质
毛细水上升最大高度的计算公式： hmax= 4σ /dγ
w
实践中，毛细水上升高度的估算公式：
汉森经验公式：hc= C /（e ×d10）
毛细压力（毛细粘聚力）
在土粒接触面上，由于空气和水分界面产生的
表面张力所引起的。
§2.2 土的水理性质
2.2.2 土的冻胀融陷特性
冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，
土的渗透性及渗流
2.2 土的水理性质 2.4 达西定律 及其适用范围
2.1 土的渗透性及 举例 2.3 地下水的 运动方式和判别 2.5 渗透系数 2.7 渗流力、流沙 和潜蚀的危害及防治
2.6 二维渗流 及流网应用
2.8 渗流情况下的 有效应力和孔隙水压力
§2.1 土的渗透性及举例
渗透：在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。
天然水面
渗透变形
透水层 不透水层 水井渗流
§2.2 土的水理性质
土的水理性质是指土体在水的作用及其变化的
条件下，产生的土的物理、力学状态及性质的变化
以及对工程的影响。
包括：毛细水现象，粘性土含水状态特征及水
- 土系统的胶体特征，黄土的湿陷性，膨胀土特征，
饱和松砂的地震液化，潜蚀和流沙现象，粘性土的
QL k Aht
常水头试验装置示意图
适用：透水性强无粘性土
§2.5 渗透系数
2.变水头法（室内试验）
a
dQ adh 流过试样的水流量为： 根据达西定律，有： dQ kA h dt L aL dh dt kA h t2 h2 aL dh dt 达西定律 t1 h1 kA h aL h k ln 1 A(t2 t1 ) h2 aL h1 k 2.3 lg A(t2 t 1) h2 适用：透水性弱的粘性土
使冰晶体不断扩大，土层中形成冰夹层，土体发生隆
起。 融陷：土层解冻时，土中积聚的冰晶体融化，土 体随之下陷。 冻融对工程影响：
路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝、
折断，房屋、桥梁、涵管下沉或不均匀沉降等。
§2.2 土的水理性质
影响冻胀的因素： （1）土：毛细水现象严重的细粒土，如：粉 砂、粉土、粉质粘土。 （2）水：水分的迁移和集聚。若冻结区附近
2、对砾土（粗颗粒）：
只有在水力坡降很小的情况下才能适用；在较大水力梯 度下，水在土中的流动进入湍流状态，渗流速度与水力
百度文库
梯度呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图（c）
所示。
§2.4 达西定律及其适用范围
必须指出，由式(2.4.1)求出的渗透速度 v 是
一种假想的平均流速，因为它假定水在土中的渗透是
k (i i0 )
砾石、卵石的粗颗粒，一般速度较大，会有湍 流发生，达西定律不适用，采用经验公式求v。
两种特殊情况： 1、对粘性土： v k (i i0 ) 对于粘性很大的密实粘土，有一 起始坡降i0 ，当i < i0 时没有渗流
发生；只有当 i > i0 时，渗流才
能发生,如右下图所示。
土的渗透性：土具有被水透过的性质。 主要内容 水在土体中的渗透规律
渗透过程中土体的变形
在渗流作用下的有效应力和孔隙水压力
石坝坝基坝身渗流
石坝
浸润线
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网 渗流量 水头梯度 渗透压力 渗透变形 渗透力与渗透变形 渗流滑坡
土坡稳定分析
板桩围护下的基坑渗流 板桩墙 渗透压力 基坑 渗流量 透水层 不透水层 Q
含水量与夯实等等。
§2.2 土的水理性质
2.2.1 土的毛细水性质
土的毛细现象：土中水在表面张力作用下沿着细小孔隙
向上或其它方向移动的现象。
土的毛细现象对工程的影响： 1）毛细水的上升会引起路基冻害； 2 ）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过 分潮湿，在建筑物基础顶面附近专门设置防潮层； 3 ）毛细水的上升可能会引起土的沼泽化和盐渍化， 对工业及农业经济都有影响。
的渗流速度与能量损失之
间服从线性渗流定律。 公式：
Q H k ki A L
渗流装置示意图
v为渗透速度，Q为单位时间的流量，k为渗透系数，i为水头梯度 渗透速度定义：单位时间内流过断面面积的水量。
§2.4 达西定律及其适用范围
砂土渗透速度符合达西定律： H ki k L 粘性土渗透速度应考虑起始水头梯度：
通过整个土体截面来进行的，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v’ 要比假想 的平均流速大很多。 它们之间的关系为：
A' e v v vn v A 1 e
§2.5 渗透系数
2.5.1 渗透系数k的测定：室内试验和现场试验 1.常水头法（室内试验）
Q At ki At h k At L
变水头试验装置示意图
【例2】 设变水头试验时，黏土试样的截面积为 30cm 2，厚度为 4cm ；渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm， 试验开始时，水位差为 160cm ，经时段 7 min 25s ，观测 的水位差为 145cm ，试验时水温为20 C ,试求试样的渗 透系数。 2 A 30 cm 【解】已知面积 ，渗流长度L 4cm ，细玻 2 d 璃管的内径截面积 a (0.4) 2 0.126cm 2 。h1 160cm， 4 4 h2 145cm，t1 0, t2 7 60s 25s 445s ，由式2.5.2可求 得：
地下水位较高，冻胀现象明显。
（3）温度：若气温缓慢下降，冷却强度小，
但负温持续时间较长。
§2.2 土的水理性质
上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要
条件。其结论是：在持续负温作用下，地下水位较
高处的粉砂、粉土、粉质粘土等土层常具有较大的 冻胀危害。 主要措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深 度（可查有关规范）以下，基础的侧面回填中砂或 粗砂等不冻胀的材料，以防止冻害的影响。
§2.3 地下水的运动方式和判别
2.3.1 地下水运动的基本方式
1.按地下水的流线形态： 层流：流线互相平行、水流平稳、流速均匀 湍流（紊流）：流线不规则、漩涡 2.按水流特征随时间的变化状况： 水位、水压力等运动特征不随时间而改变。 非稳定流运动：在渗流场中，若任一点的流速、流
稳定流运动：在渗流场中，若任一点的流速、流向、
向、水位、水压力等运动要素均随时间而变化。
§2.3 地下水的运动方式和判别
3.按水流在空间上的分布状况： 一维：单向流动 二维：地下水的流动和两个坐标方向有关 三维流动：水的流动沿三个坐标轴方向都有 分速度
§2.4 达西定律及其适用范围
达西定律 — 层流渗透定律（H. Darcy，1856） 是指层流状态下，土中水
§2.2 土的水理性质
毛细水上升最大高度的计算公式： hmax= 4σ /dγ
w
实践中，毛细水上升高度的估算公式：
汉森经验公式：hc= C /（e ×d10）
毛细压力（毛细粘聚力）
在土粒接触面上，由于空气和水分界面产生的
表面张力所引起的。
§2.2 土的水理性质
2.2.2 土的冻胀融陷特性
冻胀：未冻结区水分不断向冻结区迁移和积聚，