第二章土的渗透性

1、土的渗透性土的渗透性第二章第二章基本要求：基本要求：1.1.掌握达西定律掌握达西定律2.2.掌握渗透力的概念与计算掌握渗透力的概念与计算3.3.掌握两种渗透变形破坏的机理掌握两种渗透变形破坏的机理概概 述述渗透渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙水位差的作用，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。内的流动。土的渗透性土的渗透性：土具有被水透过的性能。土具有被水透过的性能。渗流渗流：液体在土孔隙或其他透水性介质中的流动液体在土孔隙或其他透水性介质中的流动问题。问题。土的渗透问题是指由于水的渗透引起土体土的渗透问题

2、是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。定性或产生有害变形的问题。伯努利定理伯努利定理水头的定义为：水头的定义为：zpgvhw22当水在土中渗流时，其速度很慢，可忽略速度当水在土中渗流时，其速度很慢，可忽略速度引起的水头项，得出：引起的水头项，得出：zphw渗流基本概念渗流基本概念A,B两点的水头差为：两点的水头差为：)()(BwBAwABAzpzphhhLhi则水力梯度为则水力梯度为 水力梯度水力梯度: :单位流程单

3、位流程总水头的变化总水头的变化渗透模型2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二二. . 渗透试验与渗透试验与达西定律达西定律试验前提：试验前提：层流层流h，Q A，Q L， QLhAQ 断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降AQv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2.2. 达西定律达西定律ikv 渗透定律2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2

4、 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。二二. . 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律iv 注意：注意：k: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day渗流量为：渗流量为：kiAvAQ2. 2. 达西定律达西定律2.1 2

5、.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 二二. . 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测

6、定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1. 1. 测定方法测定方法2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如

7、图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAQLk适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土V常水头渗透试验装置2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const量测变量量测变量: : h ，t透水性较小的粘性土透水性较小

8、的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土tt+ t2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 21hht0

9、hdhkAaLdt21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t21hhlnAtaLk htAQLk 室内试验方法室内试验方法1. 1. 测定方法测定方法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 不同时段试验，取均值

10、不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 1. 1. 测定方法测定方法三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ21

11、2212 212212hh)r/rln(Qk 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.k的影响因素 2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 三三. . 渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 1)土的粒度成分和矿物成分极配、粘土矿物2）土的结构黄土具有竖向大孔隙3）土中气体封闭气泡4）渗透水的性质 温度高时水的粘滞系数增大，k就增大2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力 试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中

12、，土骨架会受到浮力作用。h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 G GD D 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b沿沿ab方向由力的平衡得：方向由力的平衡得：化简后得：化简后得：lzz21cos将将 带入上式得：带入上式得： ilHHlz

13、hzhww212211wT由作用力与反作用力的关系得动水力：由作用力与反作用力的关系得动水力：iTGwD2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 一一. . 渗透力渗透力动水力的性质动水力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力的拖曳力，它是体积力GD= wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架iTGwD2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 一一. . 渗透力

14、渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，支持力减少向上渗流存在时，支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = / /wL wh = 0e1)1G(ws e11Giscr 基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流砂流砂管涌管涌2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成

15、条件形成条件 防治措施防治措施 验证渗流力验证渗流力存在的流砂试验：存在的流砂试验：当容器当容器B B提升到一提升到一定高度，容器定高度，容器A A与与容器容器B B内水位差达内水位差达到一定值时，可以到一定值时，可以看到砂面出现沸腾看到砂面出现沸腾那样的景象，这种那样的景象，这种现象称为流砂或浮现象称为流砂或浮冲、砂沸。冲、砂沸。3.4.2 流砂或流砂现象流砂或流砂现象渗透变形可分为：流砂和管涌两种基本形式。渗透变形可分为：流砂和管涌两种基本形式。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流砂流砂在向上的渗透作

16、用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW 和土的密实程度有关eGiiscr112.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 渗流渗流原因：原因：1.1. 基本类型基本类型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过

17、较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 2 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 管涌管涌破坏1. 基本类型基本类型 流砂与管涌的比较流砂与管涌的比较 流砂流砂土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程