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1、第3章 土的渗透性及渗流,3.1 概述,3.2 土的渗透性,3.3 土中二维渗流及流网（了解）,3.4 渗透破坏与控制,第3章 土的渗透性及渗流,3.1 概述,3.2 土的渗透性,3.3 土中二维渗流及流网（了解）,3.4 渗透破坏与控制,3.1 概述,在饱和土中，水充满整个孔隙，当土中不同位置存在水位差时，土中水就会在水位能量作用下，从水位高（即能量高）的位置向水们低（即能量低）的位置流动。,渗透:液体（如土中水）从物质微孔（如土体孔隙）中透过的现象 渗透性（透水性）：土体具有被液体（如土中水）透过的性质 渗流：液体（如地下水、地下石油）中的流动问题 渗流力（渗透力）：土中的渗流对土颗粒施加
2、的作用力,3.1 概述,土的渗透性的主要研究内容包括：,渗流量问题：如基坑的渗水和排水；土堤坝身、坝基土中的渗水量；水井的供水量或排水量。 渗透破坏问题：当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。如边坡破坏、地面隆起，堤坝失稳等。 渗流控制问题：研究工程措施进行渗流控制，以满足渗流量或渗透变形的设计要求。,水在土体中的渗流的影响：,引起水量损失或基坑积水，影响工程进度和收益 引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，影响工程安全。,土的渗透性是反映土的孔隙性规律的基本内容之一,第3章 土的渗透性及渗流,3.1 概述,3.2 土的渗透性,3.3 土中二维渗流及流网（了
3、解）,3.4 渗透破坏与控制,土的层流渗透定律,3.2.2,渗流的基本概念,3.2.1,渗透试验及渗透系数,3.2.3,3.2 土的渗透性,3.2.1 渗流的基本概念,水在土中的渗流是由水头差或水力梯度引起的，根据D.伯努利（1738)定理。,水头,式中： h总水头，m； v流速，m/s； g重力加速度，m/s2； p水压，kPa； w水的重度，kN/m3； z基准面高程，m,水在土中的渗流，速度很慢，因此由速度引起的水头项可以忽略。则,水头,速度，v,3.2.1 渗流的基本概念,A、B两点的水头差为：,水力梯度i：在含水层中沿水流方 向每单位距离的水头下降值。,在大多数情况下，土中水的渗流基
4、 本处于层流状态，即,或,3.2.2 土的层流渗透定律,层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。,式中：q单位渗水量，cm3/s； v断面平均渗流速度，cm/s； i水力梯度或水力坡降； k土的渗透系数，cm/s,达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系 的渗流规律,达西根据实验发现，单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比，且与土的透水性质有关,写成等式（达西定律表达式）,达西定律,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,起始水力坡降,虚
5、直线简化,v=ki,3.2.2 土的层流渗透定律,3.2.2 土的层流渗透定律,公式中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，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积Ar是小于整个断面积A，实际平均流速vr应大于v，一般v称为假想平均流速。,以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速,3.2.3 渗透试验及渗透系数,渗透系数k既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。测定方法有：室内和现场,1.室内渗透试验测定渗透系数,时间t内流出的水量,（1）常水头试验整个试验过程中水头保持不变 适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。,截面积为A,（2
6、）变水头试验整个试验过程水头随时间变化,截面面积a,任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量,dQ=adh,在时段dt内流经试样的水量,dQ=kiAdt=kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,分离变量 积分,3.2.3 渗透试验及渗透系数,截面积为A,3.2.3 渗透试验及渗透系数,2.现场测定渗透系数,常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。 对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确,q=kAi=2rhkdh/dr,qdr/r=2khdh,分离变量积分,现场测试方法
7、还有：孔压静力触探、地球物理勘探等,3.2.3 渗透试验及渗透系数,3.影响渗透系数的主要因素,（1）土的粒度成分,细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,（2）土的密实度,同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。,（3）土的饱和度,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,（5）水的温度,（4）土的结构,细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变，k值就不同。扰动与击实土样的k值比原始的要小,粘滞系数随水温发生
8、明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。,3.2.3 渗透试验及渗透系数,4.渗透系数k的经验确定方法（自己看书）,5.成层土的等效渗透系数,（1）水平渗透系数,通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和,达西定律,整个土层与层面平行的等效渗透系数,平均渗透系数,平均水力梯度,3.2.3 渗透试验及渗透系数,5.成层土的等效渗透系数,2.垂直渗透系数,根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,垂直渗透系数,各土层的相应的水力梯度为i1、i2、in，总的水力梯度为i,总水头损失等于各层水头损失之和,整个土层与层面垂直的平均渗透系数,第3章 土的渗透性
9、及渗流,3.1 概述,3.2 土的渗透性,3.3 土中二维渗流及流网（了解）,3.4 渗透破坏与控制,3.4 渗透破坏与控制,渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类： 一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌； 二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。,3.4.1 渗流力,渗流力（动水力）：单位体积土颗粒受到的渗流作用力,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反,渗流作用
10、于单位土体的力,说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,3.4.2 流砂或流土现象,3.4.2 流砂或流土现象,使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr,则，渗流力 wi等于土的浮重度w,临界水力梯度：,研究表明：土的不均匀系数越大，icr值越小；土中细颗粒含量高，icr增大；土的渗透系数愈大，临界水力坡度愈低。,在
11、向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。,说明：流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小，同时与土的颗粒级配、密度及透水性等条件有关,3.4.2 流砂或流土现象,流砂现象的防治原则,（）减小或消除水头差,采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,3.4.2 流砂或流土现象,流砂现象的防治原则,（）增长渗流路径,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力
12、坡降,（）平衡渗流力,在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力,（）土层回固处理。如冻结法、注浆法等。,3.4.3 管涌和潜蚀现象,在水流渗透作用下，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，渗流速度不断增加，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，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。在自然界中这种现象叫潜蚀（分为机械潜蚀和化学潜蚀）。,管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏,管涌现象的防治,（）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。（同流土）,3.4.3 管涌和潜蚀现象,（）改变几
13、何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层,3.4.3 管涌和潜蚀现象,流土与管涌的判别,粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏,对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况:,1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌,2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,
