土力学土的渗透性和渗流

土力学课件土的渗透性和渗流第1页，共68页，2023年，2月20日，星期六第2页，共68页，2023年，2月20日，星期六土的渗透性及渗流土的渗透性与土的强度、变形特性一起，是土力学中的几个重要课题土的渗透性研究的三个主要方面问题及其与工程的关系研究土的渗透性规律及其与工程的关系具有重要意义，土的渗透性是反映土的孔隙性规律基本内容之一详细介绍土的渗透性及渗流规律、土中二维渗流及流网、再介绍渗透破坏及渗流控制第3页，共68页，2023年，2月20日，星期六本章要求掌握土的层流渗透定律及渗透性指标；熟悉渗透性指标的测定方法及影响因素，渗流时渗水量的计算，渗透破坏与渗流控制问题；了解土中二维渗流及流网的概念和应用第4页，共68页，2023年，2月20日，星期六第3章

土的渗透性及渗流土的渗透性、渗透系数土中二维渗流及流网渗透破坏与控制主要内容第5页，共68页，2023年，2月20日，星期六第3章

土的渗透性及渗流达西定律渗透系数及其确定方法熟悉流网渗透力与渗透变形渗流工程问题与处理措施重点掌握内容第6页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.1概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透

第7页，共68页，2023年，2月20日，星期六相互关联相互影响

渗透在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象

渗透性土体具有被液体透过的性质

土的强度土的变形土的渗流渗透性研究的三个方面渗流量问题

渗透破坏问题

渗流控制问题第8页，共68页，2023年，2月20日，星期六渗流模型基本假定：不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；图3-1渗流模型

认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为流体所充满。第9页，共68页，2023年，2月20日，星期六图3-1渗流模型

相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；任一断面上，渗流模型压力与真实渗流压力分布相同；第10页，共68页，2023年，2月20日，星期六1.渗流速度断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：v=q/A真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：v0=q/A于是

v/v0=A/A=n

“模型的平均流速要小于真实流速”第11页，共68页，2023年，2月20日，星期六2.2.1土的渗透定律——达西定律水头的概念z为位置水头，是相对于基准面的高差。p为压力，也有用u基准面可以任意选定基准面基准面基准面2.2土的渗透性总水头测压管水头第12页，共68页，2023年，2月20日，星期六3.水头差(A点与B点)

第13页，共68页，2023年，2月20日，星期六水力梯度:单位流程总水头的变化4.水力坡降

第14页，共68页，2023年，2月20日，星期六水头的大小随选取的基准面不同而不同；注意：最关心的不是水头而是水头差；水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。第15页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.2土的渗透性(达西定律)3.2.2土的层流渗透定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

1、达西定律i=h/L第16页，共68页，2023年，2月20日，星期六

k渗透系数cm/s砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

v=kiivO砂土

v=ki

q=kAik是反映土体透水能力大小的综合性指标k越大土的透水能力越强

i=h/L渗透定律第17页，共68页，2023年，2月20日，星期六2、达西定律适用范围与起始水力坡降密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系i

b起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流0iv密实粘土V=k(i-ib)第18页，共68页，2023年，2月20日，星期六讨论

砂土、粘性土：小水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系粗粒土：i小、

大水流为层流，渗透规律符合达西定律，-i为线性关系

i大、

大水流为紊流，渗透规律不符合达西定律，-i为非线性关系

第19页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.2.3渗透试验与渗透系数1、渗透试验（室内）时间t内流出的水量常水头试验—整个试验过程中水头保持不变

适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

Q=qtk=QL/Aht第20页，共68页，2023年，2月20日，星期六2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化

截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－adh

在时段dt内流经试样的水量

dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量

－adh=kAh/Ldt

分离变量

积分

适用于透水性差，渗透系数小的粘性土

第21页，共68页，2023年，2月20日，星期六抽水试验2.2土的渗透性2.2.2渗透试验2.2.2.2现场试验方法第22页，共68页，2023年，2月20日，星期六抽水试验r1和r2为观测孔与抽水井之间的距离，h1和h2为观测孔的水位高度。水力坡降：距井中心为r处水流经过的面积为代入达西定律：出水q为正，基准面在底面2.2土的渗透性2.2.2渗透试验2.2.2.2现场试验方法第23页，共68页，2023年，2月20日，星期六抽水试验——潜水井公式2.2土的渗透性2.2.2渗透试验2.2.2.2现场试验方法或第24页，共68页，2023年，2月20日，星期六3、影响渗透系数的主要因素(1)土的粒度成分

土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大细粒含量愈多，土的渗透性愈小，(2)土的密实度

土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小土愈密实渗透系数愈小第25页，共68页，2023年，2月20日，星期六

土的饱和度愈低，渗透系数愈小

(4)土的结构

扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度原状土样的小

(3)土的饱和度第26页，共68页，2023年，2月20日，星期六

(5)水的温度(水的动力粘滞系数)水温愈高，水的动力粘滞系数愈小土的渗透系数则愈大

(6)土的构造

水平方向的h>垂直方向vT、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表

第27页，共68页，2023年，2月20日，星期六4、渗透系数k的经验确定方法洁净不含细粒土的松砂k=1.0-1.5(d10)2黏性土k=C3(en/1+e)较密实、击实砂土k=0.35(d15)2第28页，共68页，2023年，2月20日，星期六（1）与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数)H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

5、成层土的等效渗透系数第29页，共68页，2023年，2月20日，星期六H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx达西定律整个土层与层面平行的渗透系数

平均渗透系数第30页，共68页，2023年，2月20日，星期六(2)垂直渗透系数

H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量

q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i

总水头损失等于各层水头损失之和

代入第31页，共68页，2023年，2月20日，星期六H1H2H3k1k2k3H垂直渗透系数q3yq2yq1yqy整个土层与层面垂直的渗透系数

=

n

Hi=1

Kiy

Hi第32页，共68页，2023年，2月20日，星期六Kx近似由最不透水(最小)的一层渗透系数和厚度控制由最透水(最大)的一层渗透系数和厚度控制=

HKiy

n

i=1

Ky近似水平向Kx>垂直向Ky成层土:

Hi第33页，共68页，2023年，2月20日，星期六四、例题分析例

设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数解已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

试样在30℃时的渗透系数

第34页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.3土中二维渗流及流网

3.3.1二维渗流方程2h拉普拉斯方程(平面稳定渗流的基本方程式)x22hz2+=0第35页，共68页，2023年，2月20日，星期六a′不透水层abb′ssc

HEz1h1zE第36页，共68页，2023年，2月20日，星期六1.流网的特征等势线渗流场中势能或水头的等值线流网流线水质点的流动路线流线等势线组成的曲线正交网格第37页，共68页，2023年，2月20日，星期六流线与等势线互相正交流网的特征:流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数1各个流槽的渗流量相等相邻等势线之间的水头损失相等第38页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.4渗透破坏与控制3.4.1渗流(透)力渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力水阻力

渗透力

土拖曳力二者大小相等方向相反

第39页，共68页，2023年，2月20日，星期六渗流力土样的截面积为A，进、出水口测压管差为h，表示水流过厚度为l的土样，必须克服土样内土粒对水流阻力：

F=γwhA作用于土样的总渗流力J应和土体中土粒对水流的阻力F相等：

J=F=γwhA

渗流作用于单位土体的力(即渗流力)为：第40页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为

土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反第41页，共68页，2023年，2月20日，星期六渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

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abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出第42页，共68页，2023年，2月20日，星期六结论：

渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力；是一种体积力渗透力的大小与水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。第43页，共68页，2023年，2月20日，星期六渗流力

渗流力是一种体积力单位为kN/m3

J=i

作用方向：与渗流方向一致（流线方向）

大小与水力梯度成正比第44页，共68页，2023年，2月20日，星期六渗透力的存在，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abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出第45页，共68页，2023年，2月20日，星期六临界水力梯度———使土体开始发生渗透变形的水力梯度

GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度或

在工程计算中，将土的临界水力梯度除以安全系数Fs(2～3)，作为允许水力梯度[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力梯度控制在允许梯度[i]内受到水的浮力作用为浮重度′第46页，共68页，2023年，2月20日，星期六三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力坡降由于实际水力坡降i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降第47页，共68页，2023年，2月20日，星期六临界水力坡降———与土性密切相关土Cu愈大，icr愈小渗透系数k愈大，icr愈低土中细粒含量愈高，icr增大第48页，共68页，2023年，2月20日，星期六3.3.2土的渗透变形和防治措施流土现象:当土颗粒间的接触压力为零，土颗粒处于悬浮状态而失去稳定。

向上渗流第49页，共68页，2023年，2月20日，星期六管涌现象:土中的一些细小颗粒在渗透力作用下，通过粗颗粒的孔隙被水流带走。图3-12流土示意图第50页，共68页，2023年，2月20日，星期六比较和区别:流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部第51页，共68页，2023年，2月20日，星期六3.4.2渗透变形

渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，粒间力有效应力为零时,或某一范围内土颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。一般是突发性的破坏

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏第52页，共68页，2023年，2月20日，星期六2.管涌——在渗流作用下，土中的细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，随着土孔隙不断扩大，发生移动并被带出的现象，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷。土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，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

第53页，共68页，2023年，2月20日，星期六潜蚀作用：易发生流砂的土饱和的颗粒级配均匀细砂粉砂粉土层机械潜蚀—流动的机械力将细土粒带走而形成洞穴潜蚀作用—水流溶解了土中易溶盐，胶结物使土变松散，土体被软化、弱化，细土粒被水冲走，形成洞穴3.流土判别第54页，共68页，2023年，2月20日，星期六上海地区易发生流砂的土层特征粘粒含量小于10%土的不均匀系数Cu<5粉粒、砂粒含量大于75%土的含水量大于30%粘土夹有砂层，其厚度大于25cm土的孔隙率大于43%（e大于0.75）第55页，共68页，2023年，2月20日，星期六i实际≥icr发生流砂国外资料

e>0.75-0.8

有效粒径d10<0.1mmCu<5细砂

易发生流砂

第56页，共68页，2023年，2月20日，星期六4.管涌的判别无粘性土产生管涌必须具备两个条件发生管涌土的特征颗粒大小差别大缺失某中间粒径细砂孔隙直径大且相互连通几何条件水力条件第57页，共68页，2023年，2月20日，星期六碎石铺盖黏土心墙碎石砂粒上游填土下游填石块上堵下疏第58页，共68页，2023年，2月20日，星期六粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细粒含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象第59页，共68页，2023年，2月20日，星期六三、例题分析例

某土坝地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

解临界水力坡降由于实际水力坡降i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降第60页，共68页，2023年，2月20日，星期六§3.5渗流工程问题与处理措施

渗流工程问题1.地下水的浮托作用

地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力2.地下水的潜蚀作用

在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中

3.流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

第61页，共68页，2023年，2月20日，星期六4.