土力学：土的渗透性及渗流

1土的渗透性及渗流基本要求：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试方法及影响因素，渗流时渗水量的计算，渗透破坏与渗流控制问题；了解二维渗流及流网的概念和应用。2024/10/182本章内容3.1概述3.2土的渗透性3.3土中二维渗流及流网3.4渗透破坏与控制2024/10/1833.1概述1、渗透、土的渗透性（透水性）、渗流土在水头差的作用下具有渗透性。2、渗流问题（1）渗流量问题；（2）渗透变形或破坏问题；（3）渗流控制问题。2024/10/1843.2土的渗透性3.2.1渗流基本概念水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起。根据伯努利定理，水头（总能头）为：水力梯度为：2024/10/1853.2.2土的层流渗流定律1、达西定律试验表明，水通过均匀的砂时，单位时间内的出水量即流量为：设水流的平均流速，则单位时间内的出水量：因此：

（达西定律）关于及：主要受土性影响，实际流速

2024/10/1862、适用范围－层流对于粗细粒度不同的土，水在土中渗透时的规律不同。关于粘性土中存在起始水力梯度的说明：2024/10/1871、室内试验3.2.2渗透试验及渗透系数常水头试验用于粗粒土。变水头试验用于细粒土。常水头法：

推导：已知、、、、，求试样的2024/10/188变水头法：

推导：已知玻璃细管的截面积为，从到时刻渗流水头从降为，试样的面积为，长度为，求试样的值2024/10/1892、现场试验

现场抽水试验测定综合渗透系数，费用较高，费时较长，结果可靠。在现场设置一个抽水井（直径15cm以上）和两个以上的观测井。边抽水边观察水位情况，当单位时间从抽水井中抽出的水量稳定，并且抽水井及观测井中的水位稳定之后，测定抽水井和观测井的水位。2024/10/1810（1）粒度成分（粒径和级配）；

（2）密实度或孔隙比；（3）饱和度；

（4）结构（5）温度

（6）构造★3、渗透系数的影响因素由土的粒径或孔隙比经验地确定。4、渗透系数的经验确定方法松砂密实砂土粘性土2024/10/18115、成层土的渗透系数（1）水平渗流研究断面的单宽流量为各层土单宽流量之和，即各层土的水头损失相同，水力坡降也相同，即各层土的单位宽度上的流量为研究断面的单宽流量用等效渗透系数表示为因此2024/10/1812单位面积上的各层土的流量相等，即总水头差为：（2）垂直渗流用等效渗透系数表示因此：

由控制，由控制。2024/10/18133.3土中二维渗流及流网3.3.1二维渗流方程1、基本假设2、渗流方程（此即著名的拉普拉斯方程。在一定的边界条件下，可以求解出水头场。）取渗流单元体。根据假设和流量连续即单元体流入水量=流出水量，推导方程。（1）饱和土体；（2）土颗粒和水不可压缩；（3）土骨架不变形。2024/10/18143.3.2流网特征及绘制1、流网的特征2、流网的绘制等势线表示测压管水头齐平的线，流线表示水质点的运动路线。（1）等势线与流线正交；（2）流线与等势线构成的各网格长宽比为常数，通常；（3）相邻等势线之间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。即正交、等比、等水位差、等流量。流线越密，流速越大；势线越密，水力坡降越大。找出特殊的流线和等势线，根据正交性调整网格。现以基坑开挖中的隔水板桩为例加以说明。2024/10/18153、渗流量的计算总水头损失等势线条数减1每个流槽的渗流量：若b/L构成1，总渗流量为：流槽的数量，等于流线数减1势线间水头损失：2024/10/18163.4渗透破坏与控制3.4.1渗流力渗透力是渗透水流作用于单位体积土骨架上的力，用表示。取渗透试验中的假想水柱为隔离体进行受力分析：（1）水柱重力，为水重力与土粒浮力反力之和（2）水柱上、下两端的总水压力和（3）土粒对水的阻力，与水对土粒的渗流力大小相等，方向相反2024/10/1817根据水柱隔离体的静力平衡条件：根据，并整理后得：因此，渗流力（动水力）为：渗透力具有如下性质：（1）体积力（）；（2）方向与水流向一致；（3）对于土来说是内力，对于土骨架来说是外力。2024/10/18183.4.2流砂或流土在渗透力的作用下，渗流土体可能发生破坏，即渗透变形。在级配均匀的饱和细砂、粉砂及粉土中，易发生流砂或流土现象。临界水力梯度流土发生在渗流逸出处，从该处取单位体积土骨架，其上作用力有：临界状态时：（1）浮重度：

（2）渗透力

防治：（1）减小水头差——（2）增长渗径——（3）压重——（4）加固——或2024/10/18193.4.3管涌和潜蚀对于不均匀的土，渗透力作用下则可能发生管涌或潜蚀现象。管涌是土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动乃至流失的现象，它是一种渐进性质的破坏：随着孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较大的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的管道，造成土体下沉、开裂或坍塌。潜蚀是土中的易溶盐或细颗粒被带走，土结构受破坏。防治措施：（1）改变水力条件，降低水力梯度；（2）改变几何条件，渗出部位铺设反滤层。产生条件：（1）几何条件：，细粒含量一般小于25%；（2）水力条件：渗透力能够带动细颗粒流滚动或移动。2024/10/1820补充例题2m3m抽水解：当抽水时的水力梯度等于临界水力梯度时，管内将产生流砂。某河流水深2m，河床土层为细砂，其，抽水管插入土层3m，管内进行抽水，试问管内水位降低几米会引起流砂？2024/