土的基础知识-土中水及其渗透（土力学课件）

任务5土中水及其渗透性要容内主概述土的渗透性渗流力及流砂与管涌现象

123土的毛细性4学习目标1.熟悉地下水渗透定律、渗透系数；2.熟悉土中水毛细现象；3.知道动水力及流砂现象。地下水渗透定律、渗透系数；土中水毛细现象。动水力及流砂现象。

重点难点5.1土中水的渗透性习容内学土的渗透问题概述土中水的渗透性渗透系数及其确定方法123一、土的渗透问题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渗透——自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的现象H隧道开挖时，地下水向隧道内流动研究渗流主要解决两类问题渗流量计算问题深基坑开挖排水问题研究渗流主要解决两类问题渗流稳定与渗流控制问题产生渗透变形，甚至渗透破坏，如道路边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等。二、土中水的渗透性结论

水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比达西定律V=K·Δh/L=Ki达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究K——渗透系数，cm/s

I——水力梯度，即沿渗流方向单位

距离的水头损失三、渗透系数及其确定方法1.常水头试验整个试验过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（k>10-3cm/s）。时间t内流出的水量测定渗透系数方法试验室测定:常水头试验变水头试验现场抽水试验三、渗透系数及其确定方法2．变水头渗透试验整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。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=kAdth/L管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAdth/L

分离变量积分得【案例1】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【解答】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℃时的渗透系数三、渗透系数及其确定方法3．现场抽水试验室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时。图1现场抽水试验非承压完整井还有其它几种形式？案例2如图1所示，在5.0m厚的粘土层下有一砂土层厚6.0m，其下为不透水基岩。为测定该砂土的渗透系数，打一钻孔到基岩顶面并以1.5×10-2m3/s的速率从孔中抽水。在距抽水孔15m和30m处各打一观测孔穿过粘土层进入砂土层，测得孔内稳定水位分别在地面以下3.0m和2.5m，试求该砂土的渗透系数。“”（答案：4.01×10-4m/s）解：由题意可知：r1=15m，r2=30m，h1=0.3m，h2=0.45m，

代入式得：4、影响渗透性的因素

T、

20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表5.2渗流力及流砂与管涌现象5.2渗流力及流砂与管涌现象一、渗流力GD——水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力Δh2h1h21L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水柱隔离体平衡条件水柱重力

土颗粒对水总的阻力渗透力是一种体积力，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（矢量）5.2渗流力及流砂与管涌现象二、流砂、管涌与临界水头梯度流砂——当向上的GD与土的浮重度相等时，即GD=γω·I=γˊ=γsat-γω，这时土颗间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。临界水力坡降(梯度)——土在水下的浮重度G’为γˊ，当向上的渗流力GD与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降工程中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。G’GD或5.2渗流力及流砂与管涌现象二、流砂、管涌与临界水头梯度管涌——水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。讨论：1流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。

2流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。

3管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数Cu↑，则Icr↓，图2-10

图2-10流砂引起破坏示例a)基坑因流砂失稳b)河堤覆盖层下流砂涌出a)b)图2-11例2-1围护结构坑底hw【解】发生流砂的条件为临界水头梯度因维护结构进入坑底4m，故水渗流路径长:两侧水头差为故承压水位上升后的高度m【案例3】某基坑开挖深8m（见图2-11），地基中存在粉土层，其饱和重度为20kN/m3，在一场爆雨后，坑底发生了向上涌砂的流砂现象，经调查发现粉土层中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？5.2渗流力及流砂与管涌现象流砂现象的防治原则是：①减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘；②增长渗流路径，如打板桩；钢板桩原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水5.2渗流力及流砂与管涌现象流砂现象的防治原则是：③在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；④土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层5.3土的毛细性5.3土的毛细性一土层中的毛细水土中水的运动形式：5种土的毛细现象——指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。毛细现象对工程危害

二毛细水上升高度及毛细压力上举力：P=S×2πrcosθ=2πrσcosθ重力：G=γW·πr2·hmax湿润角可取θ=0则hmax=4σ/(d·γω)海森公式：hc=C/(e·d10)θhmax5.3土的毛细性毛细水土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状