第四章 土物理性质及渗透性4-5节

1、土力学土力学达西定律达西定律4.2土的渗透性土的渗透性4.1渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素4.3第四节土的渗透性第四节土的渗透性土力学土力学4.1土的渗透性概念土的渗透性概念v 渗透渗透: :液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象透过的现象v 渗透性（透水性）：渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过土体具有被液体（如土中水）透过的性质的性质v 渗流：渗流：液体（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透液体（如地下水、地下石油）在土孔隙或其他透水性介质（如水工建筑物）中的流动问题水性介质（如水工建筑物）中的流动问题v

2、 渗流力（渗透力）：渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加的作用力土中的渗流对土颗粒施加的作用力土力学土力学4.1土的渗透性概念土的渗透性概念v渗流量问题：渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。v渗透破坏问题：渗透破坏问题：当渗透力过大时就会引起土颗粒或当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。v渗流控制问题：渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控

3、制，以满研究工程措施进行渗流控制，以满足渗流量或渗透变形的设计要求。足渗流量或渗透变形的设计要求。水在土体中的渗流的影响：水在土体中的渗流的影响：v引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益v引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影响工程安全。响工程安全。土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一土力学土力学降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡土力学土力学4.1土的渗透性概念土的渗透性概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据水在土中的渗流是由水头差或

4、水力梯度引起的，根据D.伯努利（伯努利（1738)定理。定理。水头水头zpgvhw22式中：式中： h h总水头总水头，m m； v v流速流速，m m/s/s； g g重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2； p p水压，水压，kPakPa； w w水的重度，水的重度，kN/mkN/m3 3； z z基准面高程，基准面高程，m m水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则水头水头zphw土力学土力学h hw wB BP PB Bh hw wA AP PA AZ ZA Ah hL L速度，速度，v 4.1土的渗透

5、性概念土的渗透性概念ABB BZ Z)()(BwBAwABAZPZPhhhA、B两点的水头差为：两点的水头差为：水力梯度水力梯度i i：在含水层中沿水流方在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。向每单位距离的水头下降值。Lhi在大多数情况下，土中水的渗流基在大多数情况下，土中水的渗流基本处于层流状态，即本处于层流状态，即iv 土力学土力学kAiq kiAqv或或4.2达西定律达西定律层流：层流：水在土的孔隙中是不规则运动的，但水在其中的流速很小，可视为层流水在土的孔隙中是不规则运动的，但水在其中的流速很小，可视为层流式中：式中：q q单位渗水量单位渗水量，c cm m3 3/s/s； v

6、v断面平均渗流速度断面平均渗流速度，c cm/sm/s； i i水力梯度或水力坡降；水力梯度或水力坡降； k k土的渗透系数，土的渗透系数，cm/scm/s达西定律：达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间服从线性在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间服从线性渗流规律渗流规律h1 h2 LhAq达西根据实验发现，达西根据实验发现，单位时间内的渗单位时间内的渗出水量出水量q q与圆筒断面积与圆筒断面积A A和水力梯度和水力梯度i i成正成正比比，且与土的透水性质有关，且与土的透水性质有关写成等式（写成等式（达西定律表达式达西定律表达式）土力学土力学kiv 达西定律

7、达西定律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 密实的粘土，需要克密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透; ;同同时渗透系数与水力坡时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系定律而呈非线性关系 ib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v=kiivO O砂土砂土)(biikv0iv密实粘土密实粘土4.2达西定律达西定律土力学土力学4.2达西定律达西定律公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了公式中用的是土样的整个断面积，其

8、中包括了土粒骨架所土粒骨架所占的部分面积在内占的部分面积在内，而土粒本身是不透水的，因此，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积过水断面积A Ar r是小于整个断面积是小于整个断面积A A，实际平均流速实际平均流速v vr r应大于应大于v v，一般，一般v v称为假称为假想平均流速想平均流速。 v v与与v vr r的关系可通过水流连续原理建立如下：的关系可通过水流连续原理建立如下：rrAvvAq若均质砂土的孔隙率为若均质砂土的孔隙率为n n, ,则则A Ar r=nA=nA, ,即得即得nvnAvAvr以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速土力学土力学4

9、.3.1渗透系数的测定渗透系数的测定渗透系数渗透系数k k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。时必须用到的一个基本参数。测定方法测定方法有：有：室内和现场室内和现场1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数AtLhkkiAtqtQ时间时间t内流出的水量内流出的水量hAtQLk（1）常水头试验常水头试验整个试整个试验过程中水头保持不变验过程中水头保持不变 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。 土力学土力学（2）变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整

10、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，经时段经时段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量（式（式中中a a表示细玻璃管的内截面积）表示细玻璃管的内截面积）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 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk适用于透水性差，渗透系数小适用于透水性差，渗透系数小的粘性土的粘性土 分离变量分离变量 积分积分

11、4.3.1渗透系数的测定渗透系数的测定土力学土力学（地下水位地下水位测压管水面测压管水面）4.3.1渗透系数的测定渗透系数的测定2.2.现场测定渗透系数现场测定渗透系数常用的有现场常用的有现场井孔抽水试验井孔抽水试验或或井孔注水试验井孔注水试验。对于均质粗粒土层，现场测出的对于均质粗粒土层，现场测出的k k值比室内试验得出的值要准确值比室内试验得出的值要准确观测孔观测孔r r2 2r rr r1 1drdrdhdhh h1 1h hh h2 2Q Qr r处过水断面积为处过水断面积为A=2A=2rh,rh,假设该处假设该处水力梯度水力梯度i i为常数，且等于地下水位为常数，且等于地下水位在该处

12、的坡度时，在该处的坡度时， 则则i=dh/dr q=kAi=2rhkdh/dr qdr/r=2khdh分离变量积分分离变量积分 212212)/ln(hhrrqk212212)/lg(3.2hhrrqk现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等土力学土力学4.3.2渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素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 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。愈多时，砂土的渗透系数就会大

13、大减小。 （2）土的密实度土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。（3）土的饱和度土的饱和度 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。含量愈多，土的渗透性愈小。土力学土力学4.3.2渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素（5）水的温度水的温度 （4）土的结构土的结构 细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，

14、原有的过水细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变，通道的形态、大小及其分布都改变，k k值就不同。扰动与击实土值就不同。扰动与击实土样的样的k k值比原始的要小值比原始的要小 粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。小，土的渗透系数则愈大。（6）土的构造土的构造 土的构造因素对土的构造因素对k k值的影响也很大。如，在粘性土层中有很薄值的影响也很大。如，在粘性土层中有很薄的砂土夹层的层理构造，会使土在水平方向的的砂土夹层的层理构造，会使土在水平方向的k kh

15、 h值比垂直方向的值比垂直方向的k kv v值大许多倍。因此室内渗透试验采用土样的代表性很重要。值大许多倍。因此室内渗透试验采用土样的代表性很重要。土力学土力学渗流的工程问题渗流的工程问题5.2动水压力与临界水力梯度动水压力与临界水力梯度5.1第五节渗透的工程问题第五节渗透的工程问题土力学土力学5.1.1动水压力的概念动水压力的概念动水压力：动水压力：当地下水渗流时，对土颗粒骨架产生的压力当地下水渗流时，对土颗粒骨架产生的压力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 hAFw土样土样面积面积根据牛

16、顿第三定律，试样的总渗流根据牛顿第三定律，试样的总渗流力力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等，大小相等，方向相反方向相反 hAFJw渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：说明：渗透力渗透力j是渗流对是渗流对单位土体单位土体的作用力，是一种体积力，其大的作用力，是一种体积力，其大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 土力学土力学5.1.2临界水力梯度临界水力梯度使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度临界水力梯度i icrcr则，渗

17、流力则，渗流力 w wi i等于土的浮重度等于土的浮重度临界水力梯度：临界水力梯度：)1)(1(11ndedisswcr研究表明：研究表明：土的不均匀系数越大，土的不均匀系数越大，i icrcr值越小；土中细颗粒含量值越小；土中细颗粒含量高，高，i icrcr增大；土的渗透系数愈大，临界水力梯度愈低。增大；土的渗透系数愈大，临界水力梯度愈低。在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象流砂现象或流土现象。说明说明：流砂现象的产生不仅取决于：流砂现象的产生不仅取决于渗流力

18、的大小渗流力的大小，同时与，同时与土的土的颗粒级配颗粒级配、密度密度及及透水性透水性等条件有关等条件有关土力学土力学5.2渗流的工程问题概述渗流的工程问题概述渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌；和管涌；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动

19、或挡土墙等构造物整体失稳。物整体失稳。土力学土力学渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的浮重度，土粒将体的浮重度，土粒将被水流冲出被水流冲出abc5.2.1流砂或流土现象流砂或流土现象土

20、力学土力学5.2.1流砂或流土现象流砂或流土现象流砂现象的防治原则流砂现象的防治原则（）（）减小或消除水头差减小或消除水头差 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，

21、围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 土力学土力学5.2.1流砂或流土现象流砂或流土现象流砂现象的防治原则流砂现象的防治原则（）（）增长渗流路径增长渗流路径 沿坑壁打入板桩，它一方面可沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩（）（）平衡渗流力平衡渗流力 在向上渗流出口处地表用在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗透水材料覆盖压重以平衡渗流力流力透水材料透水材料（）（）土层加固处理。土层加固处理。如冻结如冻结法、注浆法等。法、注浆法等。 土力学土力学5.2.2管涌和

22、潜蚀现象管涌和潜蚀现象在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌管涌。在自然界中这种现象叫。在自然界中这种现象叫潜蚀（分为机械潜蚀和化学潜蚀）潜蚀（分为机械潜蚀和化学潜蚀）。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发管涌既可以发生在

23、土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 坝体坝体渗流渗流过程演示过程演示1. 1. 在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2. 2. 孔隙不断扩大，渗孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带粗颗粒也相继被水带走走3. 3. 形成贯穿的渗流通形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷道，造成土体塌陷土力学土力学n 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非粘性土（分散性土例外）属于非

24、管涌土管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相无粘性土中发生管涌必须具备相应的应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能性的判别管涌可能性的判别土力学土力学较均匀土较均匀土（CuCu 1010） 几何条几何条件件 水力条水力条件件n 无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3