第三章 土的渗透性

主讲：张彦辉专业：建筑工程土力学第三章土的渗透性本章主要内容

3.1概述

3.2土的渗透性与渗透规律

3.3渗透力与渗透变形碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差土颗粒土中水渗流土体中的渗流3.1概述内因？外因？透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透力？3.渗透破坏？渗流问题－土石坝坝基坝身渗流3.1概述渗流问题：1.渗流量？2.渗水压力？3.渗透破坏？透水层不透水层基坑板桩墙渗流问题－板桩围护下的基坑渗流3.1概述渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面漏斗状潜水面Q渗流问题－水井渗流3.1概述渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响

范围？原地下水位渗流时地下水位渗流问题－渠道、河流渗流3.1概述渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？渗流问题－降雨入渗引起的滑坡3.1概述渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置入渗过程挡水结构物集水结构物引水结构物基础工程地下工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性渗流问题－土的渗透特性3.1概述内容渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性地基的渗透系数3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的测定及影响因素四、层状地基的等效渗透系数位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降水流动的驱动力总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头位置水头Z：到基准面的距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头u/γw：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的距离，＝位置水头＋压力水头，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等zA00ABu0pazB基准面静水位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降水流动的驱动力总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处压力：水所具有的压力势能流速：水所具有的动能也可使水流发生流动水流动的驱动力3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降水流动的驱动力总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头位置势能：mgz压力势能：00基准面质量m压力u流速vz动能：总能量：称为总水头，是水流动的驱动力；＝位置水头＋压力水头＋流速水头单位重量水流的总能量：总水头计算3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程渗流中的水头与水力坡降3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降水流动的驱动力总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头ABLhAzA基准面总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围。在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。渗流的总水头：也称测管水头，是渗流的总驱动能。渗流中的水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降渗流总是从水头高处流向水头低处ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流总是从水头高处流向水头低处位置水头、压力水头、测管水头3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降水流动的驱动力总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头

A点总水头：ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线

B点总水头：二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失

水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失渗流中的水力坡降3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等→△h=0，i=0内容渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性地基的渗透系数3.2土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降二、土的渗透试验与达西定律三、渗透系数的测定及影响因素四、层状地基的等效渗透系数LAh1h2QQ透水石1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行了渗流试验或：单位时间、流过单位面积的流量v与水头差成正比，与渗流长度成反比。其中，A：试样的断面积Q：单位时间的流量二、土的渗透试验与达西定律3.2土的渗透性与渗透规律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：

cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度3.2土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律单位时间、流过单位面积的流量v渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，vv为实际平均流速，孔隙断面的平均流速3.2土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律土颗粒土中水渗流适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂h10dvRe=Re＜5时层流

Re

＞200时紊流

200＞

Re

＞5时为过渡区

达西定律的适用范围3.2土的渗透性与渗透规律v：平均流速、η：运动粘滞系数、d10：有效粒径二、土的渗透试验与达西定律在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：ivoi0两种特例对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？ivovcri>i0,v=k(i-i0)达西定律的适用范围3.2土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验室内试验方法野外试验方法三、渗透系数的测定及影响因素3.2土的渗透性与渗透规律试验条件:

Δh，A，L=const

量测变量:体积V，t适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AVQ常水头试验法3.2土的渗透性与渗透规律Q：单位时间的流量；V：流量；V=Qt三、渗透系数的测定及影响因素试验条件:Δh变化

A，a，L=const

量测变量:h，t适用土类：透水性较小

的粘性土土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a变水头试验法3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素土样At=t1t=t2h1h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：

选择几组量测结果

，计算相应的k，取平均值变水头试验法3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素hdhtt+dt水头差降低了入流量：出流量：连续性条件：常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土室内试验方法小结3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素是影响土中孔隙直径大小的主要因素粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充填大孔隙→细颗粒决定土体孔隙的大小→土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素对粘性土，影响颗粒的表面力粘土矿物不同，渗透系数相差极大：高岭石>伊里石>蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构（片架结构）>分散结构（片堆结构）土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素饱和曲线含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k凝聚结构分散结构水的运动粘滞系数η：

温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道：饱和度小→k小土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素3.2土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素非饱和土，饱和土？等效渗透系数天然土层多呈层状四、层状地基的等效渗透系数3.2土的渗透性与渗透规律水平等效渗透系数垂直等效渗透系数各层土的ki单一土层的k总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层水平等效渗透系数:kx=?已知条件:达西定律:水平等效渗透系数kx3.2土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数LH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kz=?已知条件:达西定律:垂直等效渗透系数:垂直等效渗透系数kz3.2土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数算例说明按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz2.2土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数水平渗流情形垂直渗流情形条件已知公式四、层状地基的等效渗透系数3.2土的渗透性与渗透规律练习6

直径10.0cm，高度15.0cm的砂质土，以10.0cm的水头差进行了常水头渗透试验。测得1分钟的流量为120cm3。试计算①平均流速v（cm/s），②水力坡降i，③土的渗透系数（cm/s）。设土的孔隙比为0.5，则④实际流速vv是多少？【解】练习7

设用于变水头渗透试验的粘土试样的直径为7.10cm，高度为10.05cm。渗透仪细玻璃管的内径为1.00cm。试验开始时间为10时10分，水头差为142.1cm。试验结束时间为11时20分，水头差为107.4cm。试计算粘土的渗透系数k（cm/s）。【解】Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力＝流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力j：（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3.3渗透力与渗透变形渗透力－试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力3.3渗透力与渗透变形渗透力－试验观察总渗透力J＝土粒对水流的阻力（＝水流克服阻力的损失（水头损失））（γw△hA）3.3渗透力与渗透变形渗透力－试验观察J水流作用于土体的总渗透力：单位土体内土骨架所受到的渗透力：二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失截面积

A=1h200hwL土样滤网贮水器abWW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整体受力分析-静水3.3渗透力与渗透变形渗透力－受力分析滤网承受的力R=？有效重量w’截面积

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab3.3渗透力与渗透变形渗透力－受力分析滤网承受的力R=？有效重量w’R=L-wh土水整体受力分析-对比h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab静水中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网承受的力减少了R=L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=wh

/L=wi3.3渗透力与渗透变形渗透力－受力分析i大，则j大R=W’-J渗流中的土体物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：

j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架3.3渗透力与渗透变形渗透力－性质渗流向上时，滤网承受的力减少。滤网承受的力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：R=L-wh=0h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=h/L=/w由于icr取决于土的物理性质3.3渗透力与渗透变形临界水力坡降R=W’-J=0孔隙比e大，icr小土工结构物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工结构物发生破坏的常见类型3.3渗透力与渗透变形渗透变形基本类型流土管涌形成条件防治措施流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：与土的密实度有关3.3渗透力与渗透变形渗透变形－流土Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降

i<icr:土体处于稳定状态

i=

icr:土体处于临界状态

i>icr:土体发生流土破坏工程设计：在自下而上的渗流逸出处，任何类型的土，只要满足水力坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：3.3渗透力与渗透变形渗透变形－流土可能性的判别坝体原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：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渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷3.3渗透力与渗透变形渗透变形－管涌土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件（内因）和水力条件（外因）3.3渗透力与渗透变形渗透变形－管涌可能性的判别较均匀土（Cu10）几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu>10）不连续连续d0=0.25d20细粒含量>35%细粒含量<25%细粒含量=25-35%d0