第2章 土的渗透性

土的渗透性和渗流问题

第二章1本章特点学习要点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点水头及水力坡降渗透力及其分析方法§2土的渗透性和渗流问题

2§2土的渗透性和渗流问题

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概述能量差土颗粒土中水渗流3概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流§2土的渗透性和渗流问题

4渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流概述§2土的渗透性和渗流问题

5渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q概述§2土的渗透性和渗流问题

6渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述§2土的渗透性和渗流问题

7渗流滑坡渗流滑坡概述§2土的渗透性和渗流问题

8渗流量渗透变形渗流滑坡土的渗透性及渗透规律渗透力与渗透变形土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工多雨地区边坡概述§2土的渗透性和渗流问题

9§2.1概述§2.2土的渗透性§2.4二维渗流与流网§2.4渗透力和渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

10§2.2土的渗透性与渗透规律一．渗流中的水头与水力坡降二．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§2土的渗透性和渗流问题

11ABL§2.2土的渗透性与渗透规律透水层不透水层基坑板桩墙§2土的渗透性和渗流问题

一．渗流中的水头与水力坡降12ABL一．渗流中的水头与水力坡降h1h2zAzBΔh00基准面水力坡降线总水头－单位重量水体所具有的能量z：位置水头u/γw：压力水头V2/(2g)：流速水头≈0A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

水头差：测管水头13§2土的渗透性和渗流问题

§2.2土的渗透性与渗透规律问题1：何种情况发生渗流？静水中有渗流发生么？问题2：水在水里流动有水头损失么？？14二.渗透试验与达西定律试验前提：层流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓断面平均流速水力坡降1.渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:

h1=const，A=constL=const量测变量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

152.达西定律渗透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。二.渗透试验与达西定律注意：AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:

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i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

162.达西定律

适用条件：层流（线性流）§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

二.渗透试验与达西定律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Re进行判断：Re＜5时层流

Re

＞200时紊流

200＞

Re＞5时为过渡区

172.达西定律（1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3～0.5cm/sivovcrivoi0

两种特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

二.渗透试验与达西定律18三.渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

19

室内试验方法1—常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh=const，A=const，

L=const量测变量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

hL土样AVQ室内试验方法2—变水头试验法透水性较小的粘性土?20三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:

Δh变化，A=const，

L=const量测变量:

Δh

，t§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a21三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组Δh1,

Δh2,t

，计算相应的k，取平均值§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt222.影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构三.渗透系数的测定及影响因素饱和度（含气量）水的动力粘滞系数§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

232.影响因素三.渗透系数的测定及影响因素§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石；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。结构：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，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。24饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道2.影响因素三.渗透系数的测定及影响因素§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

（2）流体特性的影响25四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

26H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

27H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

28算例

按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制四.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题

29§2土的渗透性和渗流问题

§2.2土的渗透性与渗透规律例题：2-3渗流方向？？水在水里流动有水头损失么？？30√2.1土的渗透性与渗透规律第二章

土的渗透性和渗流问题

§2.3平面渗流与流网（略）→2.4渗透力与渗透变形√2.1概述

31§2.4渗透力与渗透变形一.渗透力1、试验观察渗透变形渗透力§2土的渗透性和渗流问题

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32一.

渗透力1、试验观察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，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，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab§2土的渗透性和渗流问题

§2.4

渗透力与渗透变形33一.渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流j§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

渗透力与浮力有何区别？2、物理本质34h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhw

R=γ

L土水整体分析§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力3、计算方法35h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhw

R=γL－γwΔhR=γ

L渗流中的土体§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力土水整体分析3、计算方法36h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R=γ

L－γwΔhR=γ

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=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力土水整体分析3、计算方法37h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1R=γ

L－γwΔh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=Δh/L=γ

/γwicr=

γ/γwγ

L－γwΔh=0§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力土水整体分析3、计算方法38P2WP1Rh1Δhh200hwL土样滤网贮水器abA=1P1+Ww+J

=P2水体的平衡条件j=γwiγwhw+γwL+j

L=

γwh1W’JWwJ’=R+P2P1P1

=γwhwP2

=γwh1Ww=Vvγw+Vsγw=Lγw土水隔离分析§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力3、计算方法39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=γwi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§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

一.渗透力40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§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

41粘性土k1<<k2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渗流原因：§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

421.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§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

二.渗透变形（渗透破坏）431.基本类型流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口二.渗透变形§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

442.形成条件Fs:

安全系数1.5～2.0二.渗透变形[i]:

允许坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：§2.4

渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题

无压重时：45较均匀土（Cu≤10）二.渗透变形2.形成条件管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（Cu>10）不连续连续D0=0.25d