土力学课件：第3章 土的渗透性与渗流

1、Warming-up达西定律Darcys law 管涌piping 浸润线phreatic line 流土flowing soil临界水力梯度critical hydraulic gradient流函数flow function 流网 flow net 砂沸sand boiling 水力梯度hydraulic gradient渗流seepage 渗流量seepage discharge渗流速度seepage velocity 渗透力seepage force渗透系数coefficient of permeability渗透性permeability 势函数potential function渗

2、透破坏seepage failure 毛细水 capillary water常/变水头试验constant/falling head test专业英语词汇第3章 土的渗透性与渗流3.1 概述3.2 达西定律3.3 土的渗透系数3.4 饱和土中的应力和有效应力原理3.5 渗透力和渗透变形3.6 二维渗流和流网3.1 概述 渗流 水在土体中的流动。其流动速度与土的渗透性密切相关。 土的渗透性 表征水流通过土中孔隙难易程度的性质，或即： 土允许水透过的特性。地基问题很多与土中渗流有关，例如，地基的沉降随时间变化，就与土中渗流有很大关系。正是因为在荷载作用下土中自由水逐渐从土的孔隙中被挤出，地基才缓慢

3、的发生沉降或变形。因此，研究土的渗透性和土中渗流有重要的意义。伯努力Bernowlli方程孔隙水的流动服从伯努力方程，即它总是从总能量高处向总能量低处流动。这个总能量可用总水头h来度量： 式中：hz 相应于一定基准面的位置水头；u 孔隙水压力；v 孔隙中水的实际流速；g 重力加速度； 为压力水头； 为流速水头。 由于土中水的流速 v 一般都较小，故上式中第三项可以忽略不计，余下的两项之和亦称为测管水头。3.1 概述00基准面质量 m压力 u流速 vhz渗流引起的两类工程问题在岩土工程中土中水的渗流主要会引起两类工程问题： （1）流量与渗流速度问题在水利工程中的井、渠、坝及其基础工程中，在土木工

4、程中的基坑等施工中，人们常关心的是渗透流量的多少和渗流速度的快慢，相应的措施是改善或降低土的渗透性以满足工程要求。（2）稳定或渗透破坏问题渗透破坏是指在渗透水流对土骨架的渗透力的作用下，土颗粒间可能发生相对运动甚至整体运动，从而造成地基土体及建造在其上的建筑物失稳。 3.1 概述工程中的渗流问题基坑开挖中的渗流 3.1 概述透水层不透水层基坑工程中的渗流问题透水层不透水层防渗体坝体浸润线(b) 堤防渗流3.1 概述工程中的渗流问题原地下水位渗流时地下水位(c) 渠道渗流3.1 概述3.2 达西定律 法国水利工程师达西(Darcy)于1856年在均匀的砂中进行一维渗透试验。试验结果表明：式中，h

5、 土样的总水头差，亦即测管水头差；L 试样的长度，也称渗径； A试样的断面面积；Q 渗透流量； k 比例常数，称为渗透系数。达西定律一维渗透试验LAh1h2Q透水石3.2 达西定律达西定律称为线性渗透定律，对绝大多数土类均适用。但只适用于层流，不适用于紊流（发生在渗透性很大的卵石和堆石中，例如漩涡）。对于渗透性很低的硬黏土，只有当水头梯度超过某起始值 i0，才会发生线性渗流，在此前则为非线性渗流，即v = k1 in（n1），其后才符合线性规律。渗流流速与水力坡降的两种非线性关系(a) 卵石中渗流 (b) 硬黏土中渗流对于硬黏土，为简化，以直线的延长线与横坐标的交点 i0 作为起始梯度vi层流

6、过渡紊流ivoi03.2 达西定律3.3 土的渗透系数3.3.1 渗透系数的影响因素3.3.2 不同土渗透系数的范围3.3.3 确定土的渗透系数的试验3.3.4 分层土的等效渗透系数渗透系数影响因素3.3.1 渗透系数的影响因素3.3 土的渗透系数颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构由于渗流是在土孔隙中发生的，故孔隙比 e 越小，k 越小。试验表明，在同一种砂土中 k 大约与 e2 或者 e2/(1+ e) 成比例。但对于黏土和粉土，这种关系不完全成立。影响因素3.3.1 土的渗透系数的影响因素渗透系数影响因素颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构渗流通道（即

7、土中孔隙通道）越细，对水流的阻力就越大，而土中孔隙通道的粗细与颗粒的尺寸和级配有关，特别是与其中较细的颗粒的尺寸有关。故颗粒越大，则孔隙通道越大， k 也越大。影响因素3.3.1 土的渗透系数的影响因素渗透系数影响因素颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构由于气泡阻碍水流动,故孔隙中即使有很小的气泡也会严重影响土的渗透性，所以土的饱和度对渗透系数的量测是很重要的影响因素，在渗透试验中应尽量使土达到完全饱和。饱和度越高，渗透系数越大。影响因素3.3.1 土的渗透系数的影响因素渗透系数影响因素颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构渗透系数实质上反映了流体经过土的孔隙

8、通道时与土颗粒间的摩擦力或粘滞力。流体粘滞性与温度有关。20C时测得的渗透系数值k20称为标准值，常温下从试验测得的渗透系数值kT须经修正才能得到标准值。渗透系数随温度的升高而增大。温度修正项与温度关系 T（C ）51015202530351.5011.2971.1331.0000.8900.7980.7203.3.1 土的渗透系数的影响因素据土工试验规程（SL237-1999），修正公式为： ， 其中 为温度修正项，取值见表。可见, 渗透系数随温度的升高而增大。影响因素3.3.1 土的渗透系数的影响因素渗透系数影响因素颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构在同样孔隙比情况下，

9、黏土矿物的渗透性依次是：高岭石伊利石蒙脱石(黏土矿物的亲水性依次是：蒙脱石伊利石高岭石)。影响因素3.3.1 土的渗透系数的影响因素渗透系数影响因素颗粒的尺寸及级配饱和度温度颗粒的矿物组成孔隙比土的结构由于天然沉积土的分层性，其渗透性往往是各向异性的。对于裂隙黏土及风化黏土，其渗透性往往不取决于颗粒间的孔隙，而取决于宏观的裂隙；同样，具有凝聚(絮状)结构的黏土，其团粒间的孔隙会使其渗透系数很大。3.3.2 不同土渗透系数的范围在同样孔隙比情况下，粘性土的渗透系数一般远小于无粘性土，这是因为粘性土中的孔隙通道很细，且结合水膜占据了土中的孔隙体积。一般认为：1.0cm/s是土中渗流的层流和紊流的界

10、限；10-4cm/s 是排水良好与排水不良之界限，也是对应于发生管涌的敏感范围；10-9cm/s大体上是土的渗透系数的下限。应记住：黏土，k 10-6cm/s；粉土，10-6 k 10-4cm/s； 砂，10-3 iacr，故在黏土层必定发生流土。3.5.2 流土及其临界水力坡降【例题3-5】在例题3-3中，已知黏土、粉土、砂土层的饱和重度分别为20kN/m3 、19kN/m3 、19kN/m3 ，如果（a）将, 层土互换；或者（b）将,层土互换；试在垂直渗流条件下验算最上层土是否会发生流土，并验算土层的整体稳定。【解】25cm粉土b黏土a砂土c5cm20cm5cm20cm25cm砂土c粉土b

11、黏土a5cm20cm20cm5cm(a)(b)3.5.2 流土及其临界水力坡降解答尽管土层调换，但各层土中水头损失是不变的。在例题3-3计算中已知：ha=24.4cm ；hb=0.61 cm；hc= 0.0122cm。(a): 、层互换，粉土层中的水力坡降为： ， 远小于临界水力坡降icr=0.9，故粉土层本身不会发生流土，是稳定的。但是黏土层粉土层整体是否稳定，需要判断：黏土层底面作用的向上水压力： 黏土层底面处的水土总自重应力： =100.05+190.2+200.055.3kPa可见向上的水压力大于水土总自重应力，会使两层土体整体向上隆起，也即还是可能发生流土的。3.5.2 流土及其临界

12、水力坡降解答（续）(b): 、层互换，砂土层为最上层，砂土层的水力坡降为： ,也远小于临界水力坡降icr=0.9，故砂土层是稳定的。在粉土层底面处：粉土层底面处的水土总自重应力：可见粉土层底面处 u，故砂土层粉土层整体是稳定的。在黏土层底面处：可见黏土层底面处 u，故砂土层粉土层+黏土层整体也属稳定。3.5.2 流土及其临界水力坡降在粉土底面处：3.5.3 管涌在渗透力作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中被渗透水流带走而流失的现象，称为管涌。其结果是：细颗粒被带走孔隙越来越大形成管状通道粗颗粒架空、坍落土体破坏。管涌可能发生在土体中的任何部位和任何渗流方向，其破坏是逐渐的，在大颗粒无粘性

13、土内发生时，则称为 “内管涌” 或 “潜蚀”。流土和管涌是土体破坏的主要形式。管涌发生的条件发生管涌的条件有几何条件和水力条件两部分。（1）几何条件必要条件：土中细颗粒能够从粗颗粒形成的孔隙通道中通过。即Ds 10，级配不连续，并且其中细颗粒含量小于5的无粘性土是管涌土。对于级配连续的土，若D0 Ds 也属于管涌土。其中D0经验计算公式为 D0 = 0.25d20 。3.5.3 管涌（2）水力条件渗透水流的渗透力达到一定程度时才可带动土中的细颗粒，因而管涌要在一定的水力坡降下才会发生。一般: 发生管涌的临界水力坡降比发生流土的临界值低，但是其变化范围很大，并远不象流土临界水力坡降 那么容易准确

14、地决定。我国学者在试验的基础上，提出管涌土的破坏临界坡降和允许坡降范围值。3.5.3 管涌发生管涌的水力坡降范围水力坡降 i连续级配土不连续级配土破坏临界坡降 icr0.20.40.10.3允许坡降 i 0.150.250.10.23.5.3 管涌3.5.4 渗透变形的类型 渗透变形主要表现为在渗透水流作用下的地面隆起、土层剥落、土颗粒悬浮、细颗粒流失等。 上述的流土和管涌是土的渗透变形的基本形式。此外，还有不同土层间的接触渗透变形：当渗流从细粒土层垂直流向粗粒土层时可能引起的细粒土的流失，称为接触流土；当渗流发生在平行于层面时，则可能引起接触冲刷，故在不同土层间，有时需要设置反滤层进行保护。3.5.5 渗透变形的防治降低水力坡降垂直防渗水平防渗地下连续墙板桩帷幕灌浆不透水铺盖延长渗径通用措施增大渗径，减少水力坡降：设置减压沟、减压井，贯穿上部弱透水层降低局部高水力坡降：在弱透水层上加盖重。防治流土防治管涌防治渗