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1、第三章 土的渗透性及渗流,本章主要内容,3.1 渗流引起的工程问题 3.2 土的渗透性与达西定律 3.3 土的渗透系数 3.4 二维渗流与流网（略） 3.5 渗透力与渗透变形 3.6 饱和土的有效应力原理,注意：红色字部分为关键内容,土是由三相（固体颗粒、水、气体）组成的。当土位于地下水位以下时，处于饱和状态（孔隙全部充满水），此时，重力水在水力梯度作用下会发生流动（渗流）。 重力水的流动可以造成蓄水建筑物（水库大坝、河流堤岸等）的渗漏破坏以及引起土体稳定性的破坏。 渗流：指土中水在重力作用下穿过土中孔隙流动的现象。 渗透性：指土具有被水透过的性质。,引起工程问题,渗漏问题水库大坝、河流堤岸等
2、水量损失，甚至造成溃坝、决堤。,渗透稳定问题引起土体应力、强度、变形等变化，出现流砂、管涌问题，造成滑坡、基坑或挡土墙失稳。,第一节 渗流引起的工程问题,浸润线,土石坝坝基坝身渗流,板桩支护,板桩围护下的基坑渗流,渗流量？,渗流时地下水位,渠道渗流,透水层,不透水层,地下水位,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,水井,渗流量？,渗流滑坡,滑坡,（课本第32页） 土的渗透性是土的重要力学特征之一。 在计算基坑涌水量、水库与渠道的渗流量，评价土体的渗透变形、分析饱和黏性土在荷载作用下地基变形与时间的关系等方面，都与土的渗透性（渗透系数）密切相关。因此，需要掌握地下水的运动方式和其渗透、流动的规律达西定律。
3、,第二节 土的渗透性与达西定律,地下水：地下水位以下的重力水。除特殊情况外，地下水总是处在运动状态之中。,地下水的运动方式的分类：,地下水的运动方式,2、按水流在空间上的分布状况分为：一维流动（单向流动）、二维流动（双向流动） 、三维流动（三向流动）,1、按流线形态分为：层流、紊流,（课本第33页）,达西定律,达西（H.Darcy），18031858，法国水力工程师。1856年，达西发表了著名的多孔介质地下水运动或流动的报告。提示了水在层流状态的渗流中，水的渗透速度与水头梯度成正比，即达西定律。 可以说，达西的发现首次从数量上揭示了多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关系，使多孔介质中地下
4、水流计算成为可能。达西是水文地质学的奠基人之一，他的实验成果开创了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学地下水动力学。,水头与水头梯度,水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。,水头单位质量的水体所具有的能量。 用高度表示，常用单位为“米”。,水头梯度（水力梯度、水力坡降）,水头梯度是指沿渗流方向单位距离的水头损失。无单位。,（课本第33页）,A点水头为H1；,B点水头为H2 ；,水头梯度：,渗流方向单位距离时的水头损失。,水头差：,（课本第33页）,由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。 渗
5、透速度： 或 渗流量为： q单位渗流量，cm3/s； v渗透速度，cm/s； k渗透系数，cm/s； i水头梯度（h/L） ； A过水面积，cm2。,v渗透速度是假想的平均渗流速度，不是地下水的实际流速，是土体断面包括了土颗粒所占的面积的平均渗透速度，但水仅仅通过土体中的孔隙流动。,达西定律,（课本第33-34页）,只有在水力坡降很小的情况下才能适用达西定律；因为在较大水力梯度下，水在土中的流动进入紊流状态，渗流速度与水力梯度开始呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图（c）所示。,砂土完全符合达西定律,达西定律的适用范围,（课本第34页）,对黏性土：达西定律表达式修正,对于黏性很大的密实黏土
6、，有一起始坡降i0 ，当i i0 时，水流挤开结合水膜的堵塞，渗流才能发生,如右下图所示。,只有当渗流为层流的时候才能适用达西定律。,达西定律的适用范围,（课本第34页）,渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性质指标，也是渗流计算时必须要使用的一个基本参数。渗透系数的测定分为室内试验和现场试验两种方法。 一、实验室内测定渗透系数可分为：常水头试验和变水头试验 1、常水头法是在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于透水性强的粗粒土(无黏性土)。土的渗透系数：,第三节 土的渗透系数,（课本第34页）,2、变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于透水性弱的细粒土(黏
7、性土)。土的渗透系数：,a、L、A为已知，只要测出t1和t2对应的水头h1和h2就可求出渗透系数k。,（课本第35页）,过程无需理会,二、现场抽水试验测定渗透系数,3、满足上述两个条件后，同时量测单位时间内的抽水量和三个井的水位。计算k值：,h1、h2距抽水井距离为r1、r2的1#、2#观测井的稳定水位。,现场抽水试验需要三个井：一个抽水井（直径15cm以上），两个观测井（直径10cm以上）。观测要求和方法：1、抽水井单位时间出水量稳定；2、三个井的水位稳定；,（课本第36页）,三、采用经验值确定渗透系数,在野外难以取得原状粗颗粒土进行室内试验；而现场抽水试验需要施工三个井，有一定难度。因此，
8、对于中、小型工程，可参照有关经验数据确定常见土的渗透系数，如下表。,（课本第37页）,四、影响渗透系数的主要因素,因素,1、土颗粒的粒径、级配和矿物成分,2、土的孔隙比,3、土的结构和构造,4、土中封闭气体含量,5、水的温度,（课本第34页）,第四节 二维渗流和流网,（课本第37-40页）,在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失，同时水也对土颗粒施加渗流作用力。 渗透力（又称动水压力）：单位体积土颗粒所受到的渗透水流作用力。 其值为：j 渗透力，kN/m3； w水的重度，10kN/m3； i 水头梯度。,渗透力与水头梯度成正比，作用
9、力方向与渗流（流线）方向一致。,第五节 渗透力与渗透变形（渗透破坏）,（课本第40-41页）,基本类型,流砂,管涌,渗透变形又称渗透破坏，是指水在土中渗透时土体在渗透力的作用下，发生的变形或破坏。,形成条件,防治措施,（课本第41-42页）,当水自上而下运动时，渗透力方向与土体重力方向一致，土颗粒被压密，对工程有利。 当水自下而上运动时，渗透力方向与土体重力方向相反，土颗粒重力减小，对工程不利。 当渗透力j(土的有效重度)，土颗粒完全失重，将处于悬浮状态而失去稳定，并随水流动。这种现象称为流砂(流土)。,1、流砂（流土）,（课本第41页）,当j=(有效重度)时，土颗粒就处于流砂临界状态。 此时
10、的水头梯度称为临界水头梯度（icr）。,渗透力,有效重度,饱和重度,流砂现象比较容易在细砂、粉砂和粉土地层中发生 。 流砂现象只发生在土体表面渗流逸出之处，不发生在土体内部，当土颗粒不断逸出，将形成流砂通道并不断扩大，从而造成工程事故。,发生流砂的条件,（课本第41页）,如图装置，土样厚度L=25cm，水头差h=20cm。 (1)计算渗透力的大小； (2)若砂土的土粒相对密度为2.68, 孔隙比为0.72, 是否会出现流砂现象？ (3) 若要出现流砂，计算最小的水头差。,补充例题：,解：（1）渗透力的大小为：（2）计算土样的浮重度（3）当 时刚好发生流砂答：,基坑降水和预防流砂发生的措施,基坑
11、,1、井点降水：在基坑周边打抽水井，把地下水位降低到基坑下0.51.0m。注意：抽水泵不能停电，否则水位恢复，基坑浸水、地下室浮起。,漏斗状潜水面,（课本第41页）,基坑降水井点计算将在基础工程中学习,基坑,2、设置地下连续墙或钢板桩：在基坑周边施工地下连续墙或打钢板桩，隔断地下水，同时在基坑内设置集中井，把地下水位降低到基坑下0.51.0m。,基坑降水和预防流砂发生的措施,（课本第41页）,(a)基坑因流砂破坏；(b)河堤外覆盖层流砂涌出；(c)流砂涌向基坑引起房屋不均匀沉降,流砂导致工程破坏示例,（课本第41-42页）,流砂引起路面塌陷（渗透破坏）,地震引起的砂土液化（振动液化）,管涌水在
12、土中渗流时，土中细颗粒在渗透力作用下通过粗颗粒的孔隙被水流带走，土的孔隙不断扩大，较粗颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的通道，造成土体塌陷的现象。,发生条件,1、几何条件：孔隙直径细颗粒直径、Cu10,2、水力条件：水力梯度临界水头梯度,预防措施,1、改变土粒几何条件：设置反滤层用砂砾石层或土工布、土工网和土工格栅等土工合成材料；保护土的细颗粒、让水渗流通过。,2、改变水力条件：防渗处理、打板桩,2、管涌,（课本第42页）,反滤层封闭管涌口,板桩,管涌现象,管涌与反滤层,当土体在上部荷载p的作用下，土中某一水平截面(面积A)上，必定受到上覆土的自重、静水压力及上部荷载p三者作用并产
13、生应力，此应力称为总应力。,由于土是由三相组成的，则应由土颗粒、水、气共同承担。,由土颗粒承担的应力称为有效应力。由孔隙内的水、气承担的应力称为孔隙应力（孔隙压力）。由孔隙水承担的应力称为孔隙水压力。由孔隙气体承担的应力称为孔隙气压力。,第六节 饱和土有效应力原理,（课本第42-43页）,假如： 总应力为，截面面积为A有效应力为s 土颗粒接触面积之和为As 孔隙水压力为uw 孔隙水截面面积之和为Aw 孔隙气压力为ua 气体截面面积之和为Aa,则：,（课本第42-43页）,总 固 液 气,当土体为饱和土时，土体中无气体，则有：,（饱和土的有效应力原理）,总应力 = 有效应力 + 孔隙水压力,这就
14、是太沙基著名的饱和土有效应力原理，表明土与连续固体材料在应力应变关系上有重大区别，使土力学成为独立学科的标志。,孔隙水压力u，其值等于该点的测压管水柱高度hw，与水的重度 的乘积：,当已知土中某点的总应力，量测出该点的水柱高度hw，即可求出该点有效应力。,（课本第43页）,本章知识点,一、渗流引起的工程问题 1、概念： 渗流：指土中水在重力作用下穿过土中孔隙流动的现象。 渗透性：指土具有被水透过的性质。 2、渗流引起的工程问题：渗漏问题和渗透稳定问题。二、土的渗透性与达西定律 1、概念： 地下水：地下水位以下的重力水。 水头：单位质量的水体所具有的能量。 水头梯度：是指沿渗流方向单位距离的水头
15、损失。 2、地下水的运动方式：按流线形态分为：层流、紊流；按水流在空间上的分布状况分为：一维流动、二维流动、三维流动 。 3、水头梯度,4、渗透速度5、只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。三、土的渗透系数 1、实验室测定渗透系数分为常水头试验和变水头试验，常水头法适用于透水性强的粗粒土，变水头法适用于透水性弱的细粒土。 2、中、小型工程，可参照有关经验数据确定常见土的渗透系数。 3、影响渗透系数的主要因素为：土颗粒的粒径、级配和矿物成分，土的孔隙比，土的结构和构造，土中封闭气体含量，水的温度。四、二维渗流和流网（略）,五、渗透力与渗透变形 1、概念： 渗透力（又称动水压力）：单位体积土颗粒所受到的渗透水流作用力。 渗透变形：是指水在土中渗透时土体在渗透力的作用下，发生的变形或破坏。 流砂：当渗透力j(土的有效重度)，土颗粒完全失重，将处于悬浮状态而失去稳定，并随水流动的现象。 临界水头梯度（icr）：当j=(有效重度)时，土颗粒处于流砂临界状态的水头梯度。 管涌：水在土中渗流时，土中细颗粒在渗透力作用下通过粗颗粒的孔隙被水流带走，土的孔隙不断扩大，较粗颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的通道，造成土体塌陷的现象。 2、渗透力 3、临界水头梯度 4、流砂现象比较容易在细砂、粉砂和粉土地层中发生 。,
