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1、3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形,第三章：土的渗透性和渗流问题,本章提要 本章特点 学习要点,第三章：土的渗透性和渗流问题,土的渗透性和渗透规律 渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒多孔介质特性） 注意对物理概念和意义的把握 注意把握土是散粒多孔介质这一特点,3.1 概述,土体中的渗流,土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。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,水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3.1
2、概述- 渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,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,Q,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,3.1 概述- 渗流问题,原地下水位,渗流时地下水位,3.1 概述- 渗流问题,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程
3、？,事故实例,渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程,渗透特性 变形特性 强度特性,土的渗透特性,3.1 概述- 土渗流特性,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 平面渗流与流网 3.3 渗透力与渗透变形,第二章：土的渗透性和渗流问题,3.2 土的渗流性与渗透规律,水头与水力坡降 土的渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数,土的渗透性与渗透规律,渗流的驱动能量,反映渗流特点的定律,土的渗透性,地基的渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力,水往低处流,水
4、往高处“跑”,位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处,流速：水具有的动能 压力：水所具有的压力势能,也可使水流发生流动,位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能。 压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能。 测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能。 在静止液体中各点的测管水头相等,3.2 土的渗流性与渗透规律,位置、压力和测管水头,压力势能：,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,3.2 土的渗流性与渗透规律,水流动的驱动力 - 水头,渗
5、流中的水头与水力坡降,3.2 土的渗流性与渗透规律,A,B,L,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,3.2 土的渗流性与渗透规律,总水头：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u/w：水体的压力势能（u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：,渗流问题的水头,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,A点总水头：,3.2 土的渗流性与渗透规律,水力坡降,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,水力坡降 i：单位渗流长
6、度上的水头损失,达西渗透试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,达西定律,3.2 土的渗流性与渗透规律,达西定律：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 渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day 渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用条件：层流:粘性流体的互不混掺的层状
7、运动,紊流:速度、压强等流动要素随时间和空间做随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。,可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。,达西定律的适用范围,3.2 土的渗流性与渗透规律,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0 ？,ii0, v=k(
8、i - i0 ),渗透系数的测定方法,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法 野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件: h，A，L=const 量测变量: 体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量: h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,在tt+dt时段内：,3.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,室内试验方法小结,3.2 土
9、的渗流性与渗透规律,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,试验条件: Q=const 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长,3.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,是土中孔隙直径大小的主要影响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，
10、如哈臣公式：,3.2 土的渗流性与渗透规律,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,渗透系数的影响因素,是单位土体中孔隙体积的直接度量 对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,对粘性土，影响颗粒的表面力 不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石 ；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质
11、水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大 在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平k垂直 在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,渗透系数的影响因素,水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k 饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可
12、减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道,土的性质 水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,3.2 土的渗流性与渗透规律,等效渗透系数:,层状地基的水平等效渗透系数,层状地基的垂直等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,等效渗透系数:,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗流
13、性与渗透规律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,3.2 土的渗流性与渗透规律,小 结,水头与水力坡降 渗透试验与达西定律 渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数,总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力,达西定律 渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件,常水头试验 变水头试验 抽水试验 渗透系数影响因素,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 渗透力与渗透变形,第三章：土的渗透性和渗流问题,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻
14、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,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,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,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L(+ w) + whw,R = L,土水整体受力分析-静水,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L sat L( + w),P1 = whw,P2 = w
15、h1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L(+ w) + whw,R = L - wh,土水整体受力分析-渗流,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,R = L - wh,土水整体受力分析- 对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,R = L,减少的部分由谁承担？,总渗透力： J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j = J/V = wh /L = wi,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：,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R = L - wh=0,临界水力坡降,icr = h/L =/w,土水隔离受力分析,3.3 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R = L- wh,土骨架受力分析： 有效重量
