长安大学公路学院土质土力学-5土的渗透性-2

1、土的物理性质土的物理性质及工程分类及工程分类土的毛细性土的毛细性 = 湿润角湿润角 空气空气固体固体水水 lS= 界面张力界面张力d d = 毛管直径毛管直径Sd=2rua-uw = 压力差压力差毛毛细细管管hc毛细水上升高度及上升速度毛细水上升高度及上升速度土的毛细性土的毛细性作用在毛细水柱上的上举力作用在毛细水柱上的上举力P毛细水上升高度及上升速度毛细水上升高度及上升速度空气空气固体固体水水lSSPGhmax2cos2cosPSrr PG2max2coswrr h max24wwhrd010Ched土的毛细性土的毛细性 毛细水上升高度及上升速度毛细水上升高度及上升速度土中毛细现象土中毛细现

2、象毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比粘土粘土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管010Ched土的毛细性土的毛细性 毛细压力毛细压力对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角毛细边角水水, 假凝聚力假凝聚力cchu 毛细压力 非饱和土中毛细张力影响分析对象分析对象:水膜水膜rThccos22rTcos+ucr2 = 0土的渗透性土的渗透性碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在

3、土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流土的土的渗透性渗透性 土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土的土的渗透性渗透性 板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗水压力渗水压力扬压力扬压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩

4、墙土的土的渗透性渗透性 水井渗流水井渗流渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q土的土的渗透性渗透性 渠道渗流渠道渗流渗流量渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位土的渗透性土的渗透性 渗流滑坡渗流滑坡土的渗透性土的渗透性渗流量渗流量渗透变形渗透变形渗水压力渗水压力渗流滑坡渗流滑坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形扬压力扬压力土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基坑等地下施工基坑等地下施工多雨地区边坡多雨地区边坡土的渗透

5、性土的渗透性 渗透模型渗透模型实际土体中的渗流仅是流经实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙土粒间的孔隙,由于土体孔隙由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复的形状、大小及分布极为复杂杂,导致渗流水质点的运动轨导致渗流水质点的运动轨迹很不规则迹很不规则 。土的渗透性土的渗透性 对渗流作如下二方面的简化：对渗流作如下二方面的简化： 不考虑渗流路径的迂回不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要曲折，只分析它的主要流向；流向； 不考虑土体中颗粒的影不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗占的空间之总和均为渗流所充满。流所充满。渗流模型渗流模型土的渗透性土的渗透性为了

6、使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：应该符合以下要求： 流量相等：在同一过水断面，渗流模型的流量等于真流量相等：在同一过水断面，渗流模型的流量等于真 实渗流的流量；实渗流的流量； 压力相等：在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗压力相等：在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗 流的压力相等；流的压力相等； 阻力相等：在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与阻力相等：在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与 真实渗流所受到的阻力相等。真实渗流所受到的阻力相等。建立渗流模型后，即可采用液体运动的有关概念和理论对建立渗流模型后，即可采

7、用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析。土体渗流问题进行分析。土的渗透性土的渗透性真实渗流与渗流模型中平均流速的关系真实渗流与渗流模型中平均流速的关系渗流模型：渗流模型：qvF0qvF0Fv vnF真实渗流：真实渗流：工程中对于渗透速度，用渗流模型的平均渗透速度工程中对于渗透速度，用渗流模型的平均渗透速度v来代替真来代替真实速度。实速度。q：渗流流量，单位时间内流过截面积：渗流流量，单位时间内流过截面积A的水量，的水量，m3/s。v：渗流流速，单位时间内流过土截面水量，：渗流流速，单位时间内流过土截面水量，m/s。01,nvv即模型的平均流速模型的平均流速小于真实流速。小于真实流速。

8、式中：式中：土的渗透性土的渗透性 达西（达西（Darcy）渗透定律）渗透定律达西达西(1856年年)分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与与圆筒断面积圆筒断面积A和及水头损失和及水头损失h成正，与断面间距成反比，即成正，与断面间距成反比，即HqkFkFIl或或qvk IF式中：式中： 称为称为水力坡度水力坡度，也称，也称水力坡降水力坡降；k为为渗透系数渗透系数，其值等于坡度为，其值等于坡度为1时水的渗透速度，时水的渗透速度，cm/s。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。IH l土的渗透

9、性土的渗透性达西试验达西试验达西渗透实验装置达西渗透实验装置直立圆筒。横截直立圆筒。横截面积为面积为A，上端开口。，上端开口。在侧壁装有两支相距为在侧壁装有两支相距为l 的侧压管。的侧压管。滤板：滤板：滤板上填放颗粒均匀的砂土。滤板上填放颗粒均匀的砂土。溢水管：溢水管：水由上端注入圆筒，多余水由上端注入圆筒，多余的水从此溢出，使筒内的水位维持的水从此溢出，使筒内的水位维持恒定。恒定。短水管：短水管：渗透过滤板的水从此流入渗透过滤板的水从此流入量杯。量杯。量杯：量杯：计算渗流量计算渗流量 q。同时读取断面同时读取断面1-1和断面和断面2-2处的测处的测压管水头值压管水头值h1、h2，得到两断面之

10、，得到两断面之间的水头损失间的水头损失h=(l+h1)-h2。1122lvh1h2z1z2h土的渗透性土的渗透性黏土中修正后达西定律黏土中修正后达西定律达西定律是由达西定律是由砂质土体砂质土体(中砂、细砂、粉砂等中砂、细砂、粉砂等)实实验得到的，后来经过修验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙体如粘土和具有细裂隙的岩石等。在实际工作的岩石等。在实际工作中还要注意达西定律的中还要注意达西定律的适用范围。适用范围。达西定律的适用范围达西定律的适用范围0vk II砂土、一般粘土砂土、一般粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土土的渗透性土的渗透性当当渗流速度较小渗流

11、速度较小时，渗透的时，渗透的沿程水头损失与流速的一次沿程水头损失与流速的一次方成正比。在一般情况下，方成正比。在一般情况下，砂土、粘土中的渗透速度很砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种小，其渗流可以看作是一种水流流线相互平行的流动水流流线相互平行的流动层流层流，渗流运动规律符合达，渗流运动规律符合达西定律，渗流速度西定律，渗流速度v和水力梯和水力梯度度i的关系可在的关系可在v-i坐标系中成坐标系中成一条直线，如图一条直线，如图(a)所示。所示。砂土、一般粘土砂土、一般粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈土颗粒周围存在着结合水，结合水因

12、受到分子引力作用而呈现粘滞性现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度度I0, 只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。图（图（a）细粒土的）细粒土的v-i关系关系土的渗透性土的渗透性粗颗粒土粗颗粒土(如砾、卵石等如砾、卵石等)的的试验结果如图试验结果如图(b)所示。所示。由于其孔隙很大，当水力由于其孔隙很大，当水力梯度较小时，流速不大，梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，渗流可认为是层流，v-

13、I关关系成线性变化，达西定律系成线性变化，达西定律仍然适用。仍然适用。图（图（b）粗粒土的）粗粒土的v-i关系关系当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式互混杂的流动形式紊流，紊流，v-i关系呈非线性变化，达西关系呈非线性变化，达西定律不再适用。定律不再适用。土的渗透性土的渗透性 渗透系数的确定渗透系数的确定渗透系数渗透系数k：是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素影响渗透系数

14、大小的因素:土体颗粒的粒度成分土体颗粒的粒度成分(形状、大小等形状、大小等)和矿物成分；和矿物成分；土的结构构造；土的结构构造；水的粘滞性。水的粘滞性。要建立计算渗透系数要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，可通过的精确理论公式比较困难，可通过试验方法或经验估算法来确定试验方法或经验估算法来确定k值。值。土的渗透性土的渗透性 渗透系数的确定渗透系数的确定渗透系数渗透系数k：是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。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

15、验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验测定方法测定方法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土的渗透性土的渗透性 室内试验方法室内试验方法1常水头试验法常水头试验法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: h，F，L=const量测变量量测变量: Q，tQLkHFt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 HL土样土样FQq 室内试验方法室内试验方法1常水头试验法常水头试验法透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?QqtvFtvkiHiL土的渗透性土的渗透性试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: H变化，变化，A，L=con

16、st量测变量量测变量: H ，t土样Ft=t1H1t=t2H2Lq水头测管开关a 室内试验方法室内试验方法2变水头试验法变水头试验法土的渗透性土的渗透性 室内试验方法室内试验方法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： hdtdh流入量：流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：aL dhdtkAh 12lnhaLtkAh21hhlnAtaLk 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，取平均值土样Ft=t1h1t=t2h2Lq水头测管开关ahdhtt+dtedQadh ohdQqdtkIFdtkFdtLeodQdQha

17、dhkFdtL210thhaLdhdkFh 土的渗透性土的渗透性现场测定方法现场测定方法抽水试验抽水试验试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为两种类型：两种类型：完整井和非完整井。完整井和非完整井。抽水井抽水井抽水量抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井2dhqAkirh kdr2drqkhdhr222211ln()rqk hhr0220ln()RqrkHh理论依据：理论依据：积分积分idh dr2Arh212122222121ln(/ )2.3 log(/ )qrrqrrkhhhh优点：可获得

18、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缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长 渗透系数影响因素渗透系数影响因素粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数kf土粒特性、流体特性 影响土的渗透特性的因素土的粒度成分及矿物成分：土的粒度成分及矿物成分：土的颗粒大小、形状与级配是影响土中孔隙的主要土的颗粒大小、形状与级配是影响土中孔隙的主要因素，因而影响土的渗透性。对于黏性土，黏土矿物之间渗透系数相差极大，因素，因而影响土的渗透性。对于黏性土，黏土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性

19、大小的次序为高岭石其渗透性大小的次序为高岭石伊里石伊里石蒙脱石，含有大量有机质的淤泥几乎不蒙脱石，含有大量有机质的淤泥几乎不透水。对于砂性土，渗透系数透水。对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比一般随孔隙比e增大而增大。增大而增大。结合水膜的厚度：结合水膜的厚度：对粘性土，黏性土中若土粒的结合水膜较厚，会阻塞土的对粘性土，黏性土中若土粒的结合水膜较厚，会阻塞土的孔隙，减低土的渗透性。黏土颗粒的扩散层厚度增加，降低土的渗透性；黏孔隙，减低土的渗透性。黏土颗粒的扩散层厚度增加，降低土的渗透性；黏土颗粒的扩散层减薄，增加土的渗透性。土颗粒的扩散层减薄，增加土的渗透性。结构：结构：影响孔隙的构成和方向性，

20、对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状黏性土层，常使得积层状黏性土层，常使得 k水平水平 k垂直垂直；而黄土具有竖直方向的大孔隙，对于黄；而黄土具有竖直方向的大孔隙，对于黄土土k垂直垂直 k水平水平；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。更大的透水性。 影响土的渗透特性的因素土中水的黏滞度：土中水的黏滞度：土水在土中的渗流速度与水的密度及粘滞度有关，因此与温土水在土中的渗流速度与水的密度及粘滞度有关，因此与温度有关。温度越高、粘滞性越低、渗透

21、性越大。度有关。温度越高、粘滞性越低、渗透性越大。土中气体：土中气体：土孔隙中存在的封闭气土孔隙中存在的封闭气泡会阻塞水的渗流，从而降低土的泡会阻塞水的渗流，从而降低土的渗透性。渗透性。饱和度 sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)876543280 90 100h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗流渗流j渗流力与浮力有何区别？渗流力与浮力有何区别？ 渗流力物理意义渗流力物理意义 渗流力渗流力Fa水流基准面水作用在单位体积土颗粒上的力成为动水力水作用在单位体积土颗粒上的力成为动水力GD（kN/m3）,即渗流力。即渗流力。定义定义计算方法计算方法在土中沿水流的渗透在

22、土中沿水流的渗透方向，切取一个土柱方向，切取一个土柱体，将土柱体内的水体，将土柱体内的水作为脱离体分析。根作为脱离体分析。根据作用在土柱体内上据作用在土柱体内上的各力平衡条件，可的各力平衡条件，可得渗透力得渗透力GD为为 ：12DwwHHGIl渗透力与渗透变形 一. 渗透力1、试验观察渗透变形渗透力二.渗透变形（渗透破坏） 2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水隔离分析2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形一. 渗透力1、试验观察h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。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架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的

23、作用力，方向与渗流方向一致。h1hh200hwL土样滤网贮水器a b2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形一. 渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b土粒渗 流j渗透力与浮力有何区别？2、物理本质2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形h200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析一. 渗透力3、计算方法2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1

24、W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体一. 渗透力土水整体分析3、计算方法2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力J = wh渗透力j = J/V = wh/L = wij = wi一. 渗透力土水整体分析3、计算方法2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形h1

25、hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i = h/L = /wicr = /w L wh = 0e1)1G(ws e11Giscr 一. 渗透力土水整体分析3、计算方法2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形P2WP1Rh1hh200hwL土样滤网贮水器a bA=1P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件j = wiwhw+ wL + j L= wh1WJWwJ=R+P2P1P1 = whwP2 = wh1Ww= Vvw+ Vsw= LwiLhL)Lhh(jwww1w 土水隔离分析一. 渗透力3、计

26、算方法2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形渗透力的性质物理意义：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j = wi大小：方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架一. 渗透力2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形基本类型 二.渗透变形（渗透破坏） 流土管涌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条件 防治措施 2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形粘性土k1k2砂性土k2坝体1. 基本类型 二.渗透变形（渗透破坏） 流土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和土的密实程度有关eGiscr 11 渗流原因：2 土的渗透性土的渗透力与渗透变形1. 基本类型 管涌原因：内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因渗透力足够大 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。管涌管涌破坏二.渗透变形（渗透破坏） 2 土的渗透