土力学教案-土的渗透性

1、 3.2 土的渗透性土的渗透性 相互关联相互关联 相互影响相互影响 土的强度土的强度 土的变形土的变形 土的渗流土的渗流 渗透性研究的渗透性研究的 三个方面三个方面 渗流量问题渗流量问题 渗透破坏问题渗透破坏问题 渗流控制问题渗流控制问题 渗透性渗透性 土体具有被液体透过的性质土体具有被液体透过的性质 渗透渗透 在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗流模型基本假定： 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 图3-1 渗流模型 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为流体所充满。 3.2.1 渗流模型渗流模型 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实

2、渗流相等。 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； 任一断面上，渗流模型压力与真实渗流压力分布相同； 为使渗流模型在渗流特征上与真实的渗流相一致，为使渗流模型在渗流特征上与真实的渗流相一致， 需符合以下要求：需符合以下要求： 渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为： v=q/A 真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为： v0=q/A 于是 v/v0=A/A=n “模型的平均流速要小于真实流速” 3.2.2 土的渗透定律土的渗透定律 z为为位置水头，是相对于位置水头，是相对于 基准面基准面的高差。的高差。 u为压力为压力 V V为水的速度为水的速度 注：基准面

3、可以任意选定注：基准面可以任意选定 基准面基准面 基准面基准面 基准面基准面 1、伯努利方程、伯努利方程 2 2 w u zh g 常 数 1856年法国学者年法国学者 DarcyDarcy对砂土的渗对砂土的渗 透性进行研究透性进行研究 结论：结论： 水在土中的渗透速度与试样水在土中的渗透速度与试样 的水力梯度成正比的水力梯度成正比 v=ki 达西定律达西定律 水力梯度，即沿渗流方向水力梯度，即沿渗流方向 单单位距离的水头损失位距离的水头损失 2 2、达西定律、达西定律 i=h/L k 渗透系数渗透系数 cm/s 砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 v=ki

4、 i v O O 砂土砂土 v=k i q=kAi k 是反映土体透水能力大小的综合性指标是反映土体透水能力大小的综合性指标 k越越 大土的透水能力越强大土的透水能力越强 i= h/L 达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律适用范围与起始水力坡降 密实的粘土，需要克服结合水的密实的粘土，需要克服结合水的 粘滞阻力后才能发生渗透粘滞阻力后才能发生渗透; ;同时渗同时渗 透系数与水力坡降的规律还偏离透系数与水力坡降的规律还偏离 达西定律而呈非线性关系达西定律而呈非线性关系 i o 起始水起始水 力坡降力坡降 虚直线简化虚直线简化 达西定律适用于层达西定律适用于层 流，不适用于紊流流，不适用于紊流

5、0 i v 密实粘土密实粘土 V=k(i-i0) 3.2.3 3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数 1 1、室内试验测定法、室内试验测定法 时间时间t内流出的水量内流出的水量 常水头试验常水头试验整个试验过程中水整个试验过程中水 头保持不变头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s） 的土，例如砂土。的土，例如砂土。 Q=qtQ=qt k=QL/A htk=QL/A ht 变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a 任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经，经 时段时段dt后，细玻璃管中水位后，细玻璃管中水位

6、 降落降落dh，在时段，在时段dt内流经试内流经试 样的水量样的水量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积分积分 2 1 12 ln h h ttA aL k 2 1 12 lg3 .2 h h ttA aL k 适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土小的粘性土 2、现场抽水试验、现场抽水试验 r1和和r2为观测孔与抽水井之为观测孔与抽水井之 间的距离，间的距离，h1和和h2为观测孔为观测孔 的水位高度。的水位高度。

7、水力坡降：水力坡降： 距井中心为距井中心为r处水流经过的面处水流经过的面 积为积为 代入达西定律：代入达西定律： 2Arh idh dr 2 dh qrh k dr 出水出水q为正，基准面在底面为正，基准面在底面 qAki 抽水试验抽水试验潜水井公式潜水井公式 2 dh qrh k dr 22 11 2 rh rh dr qkhdh r 22 2 21 1 ln() r qk hh r 21 22 21 ln()r rq k hh 21 22 21 lg() 2.3 r rq k hh 或或 （1）与层面平行的渗流的情况）与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数水平渗透系数) ) H1 H2 H3

8、 k1 k2 k3 H q1x q2x q3x qx 通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 n i ixnxxxx qqqqq 1 21 3 3、成层土的等效渗透系数、成层土的等效渗透系数 (2)垂直渗透系数垂直渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H 根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个整个 土层土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层 的渗流量的渗流量 nyyyy qqqq 21 q3y q2y q1y qy 各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、in，总的水力坡降为，总的水力坡降为

9、i AikAikAikiAk nny 2211 总水头损失等于各总水头损失等于各 层水头损失之和层水头损失之和 nni HiHiHHi 2211 代入代入 nnnny ikikikHiHiHi H k 22112211 )( 1 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H q1x q2x q3x qx iHkq xx 达西定律达西定律 nn n i ix iHkiHkiHkq 2211 1 整个土层与层面平行的渗透系数整个土层与层面平行的渗透系数 水平渗透系数水平渗透系数 n i iix Hk H k 1 1 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H 垂直渗透系数垂直渗透系数 q3y q2y q1y

10、 qy nnnny ikikikHiHiHi H k 22112211 )( 1 整个土层与层面垂直的渗透系数整个土层与层面垂直的渗透系数 n n y k H k H k H H k 2 2 1 1 = = n n H H i=1i=1 K K iyiy H Hi i K Kx x 近似近似 由由最不透水最不透水( (最最小小) )的一层渗透系数和厚度控制的一层渗透系数和厚度控制 由由最透水最透水( (最最大大) )的一层渗透系数和厚度控制的一层渗透系数和厚度控制 n n y k H k H k H H k 2 2 1 1 n i iix Hk H k 1 1 = = H H K Kiy iy

11、 n n i=1i=1 K Ky y 近似近似 水平向水平向K Kx x 垂直向垂直向K Ky y 成层土成层土: : H Hi i 3.2.4 3.2.4 影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素 (1)土的粒度成分土的粒度成分 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大渗透系数愈大 细粒含量愈多，土的渗透性愈小细粒含量愈多，土的渗透性愈小， (2)土的密实度土的密实度 土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小 土愈密实渗透系数愈小土愈密实渗透系数愈小 土的饱和度愈低，土的饱和度愈低，渗透系数愈小渗透系数愈小 (4)土的结构土的结构 扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小原状土样的小 (3)土的饱和度土的饱和度