土力学-第3章(土的渗透性及土的有效应力)

第三章土的渗透性及土的有效应力主要内容：土的渗透性和渗透规律研究对象：饱和土体“管涌”渗漏一、土的渗透性（1）水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象，称为水的渗透（2）土体被水透过的性能，称为土的渗透性。（3）土的渗透对工程会产生两个问题：（a）渗漏问题；（b）渗透稳定性问题二、达西定律及其适用范围（1）土中水的渗流①渗流：水在土体孔隙中流动的现象。（清华—土力学）水流②渗流：水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生流动的现象。

（冯国栋—土力学）水头：单位重量的水所具有的能量。水力梯度（坡降）：单位流程总水头的变化总水头线总水头＝势水头＋压力水头＋动水头最关心的不是水头而是水头差！土中的水沿着流线方向每前进Δs的距离，就要有-Δh的水头损失。（2）Darcy定律（法国工程师，1856年提出）渗透系数，单位：cm/sA截面积式中：v—渗透速度(m/s)；

i—水头（力）梯度；

k—渗透系数(m/s)；

Q—渗透流量(m3/s)A—截面积。渗透速度水头梯度渗透流量（3）Darcy定律适用范围①（v-i）这种线性关系，只适用于层流渗透速度大时不适用（临界速度ver）②对于密实的粘性土，坡降（i）小

时也不适用（起始坡降io）。砂土和粘性土的渗透规律砂土和松散粘性土在粗粒土中（砾石、卵石和碎石），渗透速度大，线性关系不适用。Darcy定律的表达式为：摘自《清华-土力学》Darcy定律的表达式为：三、渗透系数测定方法及影响因素（1）测定方法室内试验常水头变水头>10-3cm/s的砂土渗透系数测定现场试验注水试验抽水试验<10-3cm/s的粉土和粘土常水头试验示意图①常水头渗透试验故，渗透系数为：

截面积为A，流径L；压力水头维持不变；试验开始时，水自上而下流经土样；待渗流稳走后，测得水量Q；同时读得a、b两点水头差

h。则得：abk>10-3cm/s的砂土常水头试验装置土样的截面积A，高度为L储水管截面积为a试验开始储水管水头为h0经过时间t后降为h1时间dt内水头降低dh，水量为：

变水头渗透试验示意图

②变水头渗透试验另外：

k<10-3cm/s的粉土和粘土流入和流出相等：由此求得渗透系数：整理并积分得即

变水头渗透试验装置③现场抽水（注水）试验（摘自：清华—土力学，p44）（？）（a）强透水层：K>10-3cm/s（b）中等透水层：K＝

10-3～10-5cm/s（c）弱透水层（相对不透水层）：K<10-6cm/s渗透系数参考值（来源？）④利用渗透系数判断土层的透水性（2）影响因素

土颗粒的粒径、级配和矿物成分（大）土的结构和构造孔隙比或孔隙率（大）水的动力粘滞度土的饱和度？d10—含量小于10%的粒径，cm；c—经验系数，40-150之间。（摘自：清华-土力学）（3）层状土的渗透性x方向的平均渗透系数KxyacoxbHH1H2H3k1k2k3Ay方向的平均渗透系数Ky水平方向由最大的一层渗透系数决定，垂直方向由最小的一层渗透系数决定。四、渗流作用下土的应力状态（摘自：土力学—冯国栋，p39）（1）静水条件下土的有效应力与中性应力aa点的总应力a点的静水压强a点的有效应力孔隙水压力，也叫中性应力土的强度和变形的变化都只取决于有效应力的变化而不是总应力。（清华-土力学，96页）（2）渗透力12Hha定义：单位土体内土颗粒所受的渗流作用力为渗透力j。

体积力，单位：kn/m3

渗流流过土体，土颗粒对水流产生阻力，造成水头损失

h。公式推导请见清华—土力学，p56-57（B）渗流向上时的a点有效应力12Hha（3）渗流作用下土的有效应力（A）渗流向下流动时的a点有效应力12Hha渗透力J流土示意图五、渗流对工程稳定性造成的破坏渗透变形（1）主要有：流沙（土）和管涌

（2）定义及产生的条件流土：在向上的渗透水流作用下，表层土均布范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。

管涌：在渗流水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌。向上渗流12Hha①流沙（土）临界坡降临界坡降icr：使土体开始产生破坏（渗透变形）的水力坡降渗透变形发生的条件内因：土的颗粒与结构（几何条件）；

外因：水力条件，作用于土体渗透力的大小。向下的重力向上的渗透力J②管涌的临界坡降通过经验和实验总结得出管涌的临界坡降：

其中，d－为被冲动的细颗粒粒径，一般小于d5－d3，单位cm；

n－为砂砾料的孔隙率；

k－为砂砾料的渗透系数，单位cm/s。六、流网及工程中的渗流场计算流线等势线（水头相等）（1）流网：将水流和水头用实线（流线）或虚线（等势线）绘制出来，形成网格状的图形，表示土体中的渗流场