土的工程特性分析-土的渗透性(地基基础施工课件)

变水头法土的渗透性

当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。渗流：水在土体中流动的现象。渗透性：土具有被水等液体透过的性质。

渗透研究的内容：1.渗流量。2.渗透变形(渗透破坏)3.渗流控制水头：单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成：

1.位置水头z

2.压力水头u/

w

3.

流速水头v2/2g达西定律一、土的渗透定律——达西定律（H.Darcy,1856）

1.渗流中的总水头与水力坡降

液体流动必须满足的条件：连续原理能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程)

为了研究的方便，常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。h=z+u/

w+v2/2g

由于土中渗流阻力大，流速v在一般情况下都很小，可以忽略。达西定律h=z

+

u/

w

伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出：(1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全由总水头差决定。只有当两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。(2)由于土中渗流阻力大，故流速v在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。水力坡降由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即

i=

h/L

i称为水力坡降，L为两点间的渗流路径，水力坡降的物理意义:单位渗流长度上的水头损失。2达西定律达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即写成等式为：上式称为达西定律。式中，v－断面平均渗透速度，单位mm/s或m/day；

k－反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力坡降i＝1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。

渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速认应大于v。一般称v

为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:

Vs=v/n

为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。

渗透速度与实际平均流速

达西定律的适用范围

达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用。3渗透系数的测定和影响因素

渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。

(1)渗透系数的测定方法

渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。实验室测定法目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。现场测定法现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场井孔抽水试验或井孔注水试验的方法。

常水头试验

适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。变水头试验

适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确测定。影响渗透系数的因素

(1)土的粒度成分(粒径大小与级配)和矿物成分的影响；

(2)土的结构；

(3)土中气体的影响；

（4）渗透水的性质对渗透系数的影响。

水的性质对渗透系数k值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低，

k值变大：反之k值变小。常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t

室内试验方法小结不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土常水头法渗流渗透性土具有被水、液体等透过的性质水、液体等在土体孔隙中流动的现象碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动能量差土土颗粒土中水渗流渗透特性强度特性变形特性互相关联互相影响土力学重要课题透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例土的渗透性研究渗流量渗透破坏渗流控制三个问题工程应用的需要透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流：渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？工程实例渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流：漏斗状潜水面QABL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、动量方程一、渗流中的水头与水力坡降

总水头（伯努利定理）：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p/

w：水体的压力势能（p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）

渗流的总水头：也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线A点总水头：水力梯度ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线B点总水头：二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失

水力梯度i：单位渗流长度上的水头损失LAh1h2QQ透水石h二、渗透试验与达西定律试验前提：层流或1.渗透试验试验结果:试验装置：如图试验条件:

h1，A，L=const量测变量:

h2，V，t达西定律2.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。注意：V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>Arq＝VA＝VrArk: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三、渗透系数的测定及影响因素室内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.测定方法野外试验测定方法室内试验方法—常水头试验法结果整理：试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:渗水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=ki适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AQ常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t

室内试验方法小结不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土渗透破坏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一、渗透力（动水力）试验观察渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab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Gw

=vv

w+vs

w

＝V

w=LAw

wP1

=

whwAwP2

=

wh1AwP1

+Gw+

T

=P2J=T=

wh/L=

wi

水柱整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab

GwT

whwAw+LA

w

w+TLAw=

wh1Aw

T

=TLAw渗透力的大小和水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持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：渗透力-受力分析渗透力-受力分析

wi≥

临界水力坡降icr=

h/L=

/

w由于icr取决于土的物理性质h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab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：土骨架土工建筑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。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌流土接触流土接触冲刷渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式渗透变形-流土流土：在向上的渗透力作用下，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。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流

原因：与土的密实度有关坝体渗透变形–管涌

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

管涌：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：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土。土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）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和水力条件管涌可能性的判别

几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径

几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别

渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。