chapter3—土渗透性

1、第二章第二章 土的渗透及工程问题土的渗透及工程问题2.1 2.1 概述概述主要内容：渗透规律和土体的渗透稳定问题研究对象：饱和土体“土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的土中的水并非处于静止不变的状态，而是运动着的”基本概念基本概念水的渗透：水的渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。现象。土的渗透性：土的渗透性：土具有被水透过的性能，称为土的渗土具有被水透过的性能，称为土的渗透性。透性。渗透力：渗透力：渗透水流施加于单位土体内土粒上的拖曳力。渗透水流施加于单位土体内土粒上的拖曳力。问题问题：水的渗透和土的渗透性会引起哪些工程问题？：水的渗透和土的

2、渗透性会引起哪些工程问题？河滩路堤下的渗流河滩路堤下的渗流 渗透的危害渗透的危害 渗漏问题渗漏问题：造成水量的损失，影响工程效益。：造成水量的损失，影响工程效益。 渗透变形渗透变形：将引起土体内部应力状态的变：将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，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。严重时还会酿成破坏事故。 渗流控制问题：渗流控制问题：当渗流量和渗透变形不能当渗流量和渗透变形不能满足设计要求时，要采用工程措施加以控制。满足设计要求时，要采用工程措施加以控制。2.2 2.2 达西定律及其适用范围达西定律及其适用范围（一）渗透（一）渗透土孔隙

3、中的自由水在重力作用下发生运动的现象。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；不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 渗流模型 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； 渗流模型 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。1.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/v

4、0=A/A=n “模型的平均流速要小于真实流速”能量是用水头来表示：能量是用水头来表示：22wuvhzgz 位能水头;u静水压力;w水重度;h-总水头wuhz2.水头 如果忽略流速的影响，则如果忽略流速的影响，则v-流速AAAhHZ/AAwHuBBBhHZ/BBwHuABhhh 3.水头差(A点与B点) 水力梯度水力梯度: :单位流程总水头的变化。单位流程总水头的变化。hiL4.水力坡降 l水头的大小随选取的基准面不同而不同；水头的大小随选取的基准面不同而不同；注意：l最关心的不是水头而是水头差；最关心的不是水头而是水头差；l水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。水在土中的渗流是从高水头向低水

5、头流动。 法国学者达西(Darcy),砂土砂土实验结果（1852-1855） 渗透速度与水力梯度成正比：v=ki或 q=kiA式中：v渗透速度(m/s)； i水力梯度； k渗透系数(m/s)； q渗透流量(m3/s) A截面积(m2) 。 Darcy渗透定律（二）（二） Darcy渗透定律渗透定律例题2-1 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。 Darcy渗透定律解 水头损失之和等于总水头损失： h1+h2=h=40cm 根据水力坡降的概念，有 i2=h2/L2=0

6、.5， 而L2=20cm得 h2=10cm h1=h-h2=40-10=30cm 土样1的水力坡降 i1=h1/L1=1.5水在土样1和土样2中渗流时的速度相同:v=k1i1=k2i2 得 k2=0.09cm/s。 Darcy渗透定律q达西定律只适用于层流 适用于中砂、细砂、适用于中砂、细砂、粉砂等粉砂等 粗砂、砾石、卵石粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土不适合。等粗颗粒土不适合。 水力坡度与渗流速度关系（三）（三） Darcy定律适用范围定律适用范围q 粘土不完全符合达西定律，需进行修正 砂土和粘土的渗透规律 粘土中存在起始水头梯度粘土中存在起始水头梯度i0 修正后：修正后：v=k(i-i0) 右图

7、绘出砂土与粘土的比较右图绘出砂土与粘土的比较。 关于起始水力坡降是否存在也有不同观点。关于起始水力坡降是否存在也有不同观点。3.3 渗透系数的测定渗透系数的测定测定方法室内试验方法现场试验常水头试验-适用于中、粗砂变水头试验-适用于粘性土（一）渗透试验简介（一）渗透试验简介1.常水头渗透试验 常水头渗透试验 hQqtkiAtkAtL则得则得QLkhAt故渗透系数为 截面积为截面积为A，流径，流径L； 压力水头维持不变；压力水头维持不变； 试验开始时，水自上而下流经土样；试验开始时，水自上而下流经土样； 待渗流稳走后，测得水量待渗流稳走后，测得水量Q； 同时读得同时读得a、b两点水头差两点水头差

8、 h。常水头渗透试验装置2.变水头渗透试验 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 dQ=kiAdt=k(h/L)Adt流入和流出相等：adh= k(h/L)Adt 0101ln()haLttkAh0101ln()()haLkA tth由此求得渗透系数：1100()ththaLdhdtkAh整理并积分得aLdhdtkAh 即变水头渗透试验装置 分析表分析表2-3-1渗透系数值渗透系数值: 可见：不同土类的渗透系数值差异很大可见：不同土类的渗透系数值差异很大表2-3-1 渗透系

9、数参考值 渗透系数的测定十分重要渗透系数的测定十分重要（1）土粒的大小、矿物成分和级配（2）土的孔隙比（3）水的温度（4）土中气体含量（5）土的结构构造影响（二） 影响土的渗透性的因素（三）成层土的渗透性（三）成层土的渗透性2.4 渗流作用下土的应力状态渗流作用下土的应力状态 补充内容：有效应力原理补充内容：有效应力原理 计算土中应力的目的是为了研究土体受力后的变计算土中应力的目的是为了研究土体受力后的变形和强度问题，但是土的体积变化和强度大小并不是直形和强度问题，但是土的体积变化和强度大小并不是直接决定于土体所受的全部应力（即总应力），这是由于接决定于土体所受的全部应力（即总应力），这是由于

10、土是一种由三相物质构成的碎散材料，受力后土是一种由三相物质构成的碎散材料，受力后存在着：存在着：（1）外力如何由三种成分来分担；）外力如何由三种成分来分担；（2）它们是如何传递和相互转化的；）它们是如何传递和相互转化的；（3）它们和材料的变形和强度有什么关系等问题；）它们和材料的变形和强度有什么关系等问题； 关于这个问题，美籍奥地利土力学家太沙基早在关于这个问题，美籍奥地利土力学家太沙基早在1923 年发现并进行了研究，提出了土力学中最重要的年发现并进行了研究，提出了土力学中最重要的有效应力原理有效应力原理和和固结理论固结理论，也是使土力学成为一门独，也是使土力学成为一门独立学科的重要标志。立

11、学科的重要标志。一、有效应力原理的基本概念一、有效应力原理的基本概念（一）饱和土中的两种应力形态（一）饱和土中的两种应力形态 饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成的两相体，当外力作用于土体后，该力一部分有组成的两相体，当外力作用于土体后，该力一部分有土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传土骨架承担，并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递，称之为递，称之为粒间应力粒间应力； 另一部分则由孔隙中的水来承担，水不能承担剪应另一部分则由孔隙中的水来承担，水不能承担剪应力，但能承受法向应力，并且可以通过连通的孔隙水力，但能承受法向应力，并且可以通

12、过连通的孔隙水传递，这部分水压力称为传递，这部分水压力称为孔隙水压力。孔隙水压力。 有效应力原理就是研究饱和土中这两种应力的不有效应力原理就是研究饱和土中这两种应力的不同性质和它们与总应力的关系。同性质和它们与总应力的关系。wsvAuPAAAuAPwsvu（二）有效应力原理要点（二）有效应力原理要点 有效应力原理是太沙基于有效应力原理是太沙基于1936年首次用英语论述年首次用英语论述的，其主要内容可归纳为两点：的，其主要内容可归纳为两点：（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分，其间关系总是满足：应力和孔隙水压力两部分，

13、其间关系总是满足： u（2 2）土的变形（压缩）与强度的变化都只取决于有效）土的变形（压缩）与强度的变化都只取决于有效应力的变化。应力的变化。概念：概念：有效应力：有效应力：通过土粒间的接触面传递的应力（只有通过土粒间的接触面传递的应力（只有有效应力才能使土体产生固结和强度）。有效应力才能使土体产生固结和强度）。有效应力原理：有效应力原理：当总应力保持不变时，孔隙水应力当总应力保持不变时，孔隙水应力与有效应力可以相互转化，即孔隙水应力减小（增大）与有效应力可以相互转化，即孔隙水应力减小（增大）等于有效应力的等量增加（减小）。等于有效应力的等量增加（减小）。 既然土的压缩和强度只随有效应力而变化

14、，为了既然土的压缩和强度只随有效应力而变化，为了研究土工建筑物或土基的变形与安全度就必须要确定研究土工建筑物或土基的变形与安全度就必须要确定土体中的有效应力。而有效应力是作用在土骨架的颗土体中的有效应力。而有效应力是作用在土骨架的颗粒之间的粒间力，很难直接测定，通常都是在求得总粒之间的粒间力，很难直接测定，通常都是在求得总应力和孔隙水压力之后，利用公式：应力和孔隙水压力之后，利用公式：u 总应力可以计算得出，孔隙水压力可以实测也可总应力可以计算得出，孔隙水压力可以实测也可以可以通过计算得出。以可以通过计算得出。自重应力情况下自重应力情况下静水位条件下的有效应力静水位条件下的有效应力稳定渗流条件

15、下的有效应力稳定渗流条件下的有效应力2.5 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降 （一）渗透力（一）渗透力 概念：单位土体内土颗粒所受到的渗流作用力为渗概念：单位土体内土颗粒所受到的渗流作用力为渗透力。渗透力是一种体积力。透力。渗透力是一种体积力。计算原理：计算原理：沿流线方向取一截面积为沿流线方向取一截面积为1，长为，长为L的土样。的土样。(2) 讨论作用在土样上的力。讨论作用在土样上的力。结论：结论： 渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力；渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力； 是一种体积力；是一种体积力； 渗透力的大小与水力坡降成正比，方向

16、与渗流渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。方向一致。（二）临界水力坡降：（二）临界水力坡降： 渗透力渗透力j与有效重度大小相等，方向相反与有效重度大小相等，方向相反时，时，土颗粒之间的压力为零，即：土颗粒之间的压力为零，即：j= wi= = satw （a）向下渗流）向下渗流 （b）向上渗流）向上渗流渗流方向对土颗粒作用力的影响渗流方向对土颗粒作用力的影响于是可定义于是可定义crwi“工程中常用工程中常用i icrcr来评价土体是否发生渗透破坏来评价土体是否发生渗透破坏”。当当 j= w i = 时时， 土颗粒之间的压力为零土颗粒之间的压力为零。土的浮容重为：土的浮容重为：eGw

17、s111）（crwieGiscr11由此可知，流土的临界水力坡由此可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质。降取决于土的物理性质。二、土的渗透变形和防治措施二、土的渗透变形和防治措施（一）土的渗透变形（或渗透破坏）（一）土的渗透变形（或渗透破坏） 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破破坏，如土层剥落，地面隆起，细颗粒被水带出及出现坏，如土层剥落，地面隆起，细颗粒被水带出及出现集中的渗流通道等。集中的渗流通道等。 土的渗透变形类型主要有管涌、流土、接触流土土的渗透变形类型主要有管涌、流土、接触流土和接触冲刷等，但就单一土层来说，渗透变形主要是和接触冲刷等，但就单一土层来说，渗透变形主要是流土流土和和管涌管涌两种基本形式。两种基本形式。流土现象: 在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的