土力学土中水的运动规律

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1、练习练习2： 某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用某住宅工程地质勘察中取原状土做试验。用天平称天平称50cm3湿土质量为湿土质量为95.15g，烘干后质量为，烘干后质量为75.05g，土粒比重为，土粒比重为2.67。计算此土样的天然密。计算此土样的天然密度、干密度、饱和密度、天然含水率、孔隙比、度、干密度、饱和密度、天然含水率、孔隙比、孔隙度以及饱和度。孔隙度以及饱和度。存在的问题：存在的问题：不会做的、做错的不会做的、做错的不抄题的；抄题时使用省略号的；不抄题的；抄题时使用省略号的；两份卷子名字不同字迹相同的；两份卷子名字不同字迹相同的；两份卷子同一个名字的两份卷子同一个名字的 绪论绪论

2、第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第三章第三章 土体中的应力计算土体中的应力计算 第四章第四章 土的变形与地基的沉降土的变形与地基的沉降 第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度 第六章第六章 挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力 第七章第七章 地基的承载力地基的承载力 第八章第八章 土坡稳定分析土坡稳定分析 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习要点学习要点土的渗透性和渗透规律土的渗透性和渗透规律渗透产生的渗透力与渗透变形渗透产生的渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律）有严格的理论（水流的一般规律）有经验

3、性规律（散粒多孔介质特性）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注意把握土是散粒多孔介质这一特点 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透

4、特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流土体中的渗流土体中的渗流2.1 概述概述内因内因？外因外因？透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗透力？渗透力？3. 渗透破坏？渗透破坏？渗流问题土石坝坝基坝身渗流渗流问题土石坝坝基坝身渗流 2.1 概述概述渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗水压力？渗水压力？3. 渗透破坏？渗透破坏？透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流问题板桩围护下的基坑渗流渗流问题板

5、桩围护下的基坑渗流 2.1 概述概述渗流问题：渗流问题：1. 渗流量渗流量Q？2. 降水深度？降水深度？透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q渗流问题水井渗流渗流问题水井渗流 2.1 概述概述渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 地下水影响地下水影响 范围？范围？原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渗流问题渠道、河流渗流渗流问题渠道、河流渗流 2.1 概述概述渗流问题：渗流问题：1. 渗透力？渗透力？2. 入渗过程？入渗过程？渗流问题降雨入渗引起的滑坡渗流问题降雨入渗引起的滑坡 2.1 概述概述渗流量渗流量扬压力扬压力渗水压力渗水压力渗透破

6、坏渗透破坏渗流速度渗流速度渗水面位置渗水面位置入渗过程入渗过程挡水结构物挡水结构物 集水结构物集水结构物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性渗流问题土的渗透特性渗流问题土的渗透特性2.1 概述概述第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 内容内容渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F一、水头与水力坡

7、降一、水头与水力坡降F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与达西定律达西定律F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定及影响因素及影响因素F四、层状地基的等效四、层状地基的等效渗透系数渗透系数位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降水流动的驱动力水流动的驱动力总水头计算总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头渗流中的水头n位置水头位置水头Z：到基准面的到基准面的距离距离，代，代表表单位重量单位重量的液体从基准面算起所的液体从基准面算起所具有的具

8、有的位置势能位置势能n压力水头压力水头u/w：水压力所能引起的水压力所能引起的自由水面的自由水面的升高升高，表示，表示单位重量单位重量液液体所具有的体所具有的压力势能压力势能n测管水头：测管水头：测管水面到基准面的测管水面到基准面的距距离离，位置水头位置水头压力水头压力水头，表示，表示单位重量单位重量液体的液体的总势能总势能n在在静止液体中各点静止液体中各点的的测管水头相等测管水头相等zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头

9、位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降水流动的驱动力水流动的驱动力总水头计算总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头渗流中的水头水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处高处流向位置势能流向位置势能低处低处压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能流速：流速：水所具有的动能水所具有的动能也可使水流发生流动也可使水流发生流动水流动的驱动力水流动的驱动力2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与

10、渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降水流动的驱动力水流动的驱动力总水头计算总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头渗流中的水头n位置势能：位置势能：mgzn压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能：动能：n总能量：总能量：称为称为总水头总水头，是水流动的驱动力；，是水流动的驱动力；位置水头压力水头位置水头压力水头流速水头流速水头n单位重量单位重量水流的

11、总能量：水流的总能量：总水头计算总水头计算2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力

12、坡降水流动的驱动力水流动的驱动力总水头计算总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头渗流中的水头ABLhAzA基准面基准面n 总水头：总水头：单位单位重量重量水体所具有的能量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙孔隙水压力）水压力） 流速水头流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）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。岩土工程中的绝大多数渗流问

13、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。在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。n 渗流的总水头：渗流的总水头：也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能。总驱动能。渗流中的水头渗流中的水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降渗流总是从渗流总是从水头水头高处流向高处流向水头水头低处低处ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流总是从渗流总是从水头水头高处流向高处流向水头水头低处低处位置水头、压力水头、测管水头位置水头、压力水头、测管水头2.2 土的渗透性与渗透

14、规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降水流动的驱动力水流动的驱动力总水头计算总水头计算渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降渗流中的水头渗流中的水头 A A点总水头：点总水头：ABLhAhBzAzBhh基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力两点间水流克服摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡

15、降一、水头与水力坡降静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等h=0，i=0内容内容渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与达西定律达西定律F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定及影响因素及影响因素F四、层状地基的等效四、层状地基的等效渗透系数渗透系数LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行了渗流试验市供水问题时进

16、行了渗流试验或：或：单位时间单位时间、流过单位面积的、流过单位面积的流量流量v与水头差成正比，与与水头差成正比，与渗流长度成反比。渗流长度成反比。其中，其中，A：试样的断面积：试样的断面积Q：单位时间单位时间的流量的流量二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，渗渗透透速速度度v与与水水力力坡坡降降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k: 反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降

17、i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/dayn渗渗透透速速度度v：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假假想想渗流速度渗流速度2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律单位时间单位时间、流过单位面积的、流过单位面积的流量流量v渗透速度渗透速度v：土体试样土体试样全断面全断面的的平均渗流速度，也称假想渗流速度平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，其中，v vv v为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律

18、二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈可能会随流速增大呈紊流紊流状态，渗流不再服从达西状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判定律。可用雷诺数进行判断断 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速 (m/h)砾石砾石粗砂

19、粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 达西定律的适用范围达西定律的适用范围2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律v：平均流速、：平均流速、：运动粘滞系数、：运动粘滞系数、d10：有效粒径：有效粒径二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆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，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：西定律不再适用，此时：ivoi0n 两种特例两种特例对致密的粘性土，存在起始水力对致密的粘性土，存在起始水力坡降坡降i

20、 i0 0 ？ivovcrii0, v=k (i - i0 )达西定律的适用范围达西定律的适用范围2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n 试验条件试验条件: : h，A，L=constn 量测变量量测变量: 体积体积V，tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较

21、大的砂性土hL土样土样AVQ常水头试验法常水头试验法2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律Q：单位时间的流量；：单位时间的流量；V：流量；：流量；V=Qt 三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素n 试验条件试验条件: :h变变化化 A，a，L=constn 量测变量量测变量: h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小 的粘性土的粘性土土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a变水头试验法变水头试验法2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素土样土样At=t1t=t2h1h2

22、LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内： 选择几组量测结果选择几组量测结果 ，计算相应的计算相应的k，取平均值，取平均值变水头试验法变水头试验法2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素hd htt+dt水头差降低了水头差降低了 入流量入流量： 出流量：出流量： 连续性条件：连续性条件：常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土

23、粘性土粘性土室内试验方法小结室内试验方法小结2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素 绪论绪论 第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第三章第三章 土体中的应力计算土体中的应力计算 第四章第四章 土的变形与地基的沉降土的变形与地基的沉降 第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度 第六章第六章 挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力 第七章第七章 地基的承载力地基的承载力 第八章第八章 土坡稳定分析土坡稳定分析第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1

24、 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流土体中的渗流土体中的渗流2.1 概述概述内因内因？外因外因？水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：

25、使水流从使水流从位置势能位置势能高处高处流向位置势能流向位置势能低处低处压力：压力：水所具有的水所具有的压力势能压力势能流速：流速：水具有的水具有的动能动能水流动的驱动力水流动的驱动力2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降n位置势能：位置势能：mgzn压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能：动能：n总能量：总能量：称为称为总水头总水头，是水流动的驱动力；，是水流动的驱动力；位置水头压力水头流速水头位置水头压力水头流速水头n单位重量单位重量水流的总能量：水流的总能量：总水头计算总水头计算2.2 土的渗透性与渗

26、透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降ABLhAzA基准面基准面n 总水头：总水头：单位单位重量重量水体所具有的能量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙孔隙水压力）水压力） 流速水头流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）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。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。

27、在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态。n 渗流的总水头：渗流的总水头：也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能。总驱动能。渗流中的水头渗流中的水头2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降渗流总是从渗流总是从水头水头高处流向高处流向水头水头低处低处 A A点总水头：点总水头：ABLhAhBzAzBhh基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力两点间水流克服摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度

28、上的水头损失渗流中的水力坡降渗流中的水力坡降2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等静止液体中，各点的测管水头（总水头）相等h=0，i=0n达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，渗渗透透速速度度v与与水水力力坡坡降降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k: 反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/dayn渗渗透透速速度度v

29、：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假假想想渗流速度渗流速度2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律二、土的渗透试验与达西定律二、土的渗透试验与达西定律单位时间单位时间、流过单位面积的、流过单位面积的流量流量v 常水头试验法常水头试验法 变水头试验法变水头试验法 井孔抽水试验井孔抽水试验 井孔注水试验井孔注水试验F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值h=c

30、onsth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土室内试验方法小结室内试验方法小结2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素内容内容渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与达西定律达西定律F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定及及影响

31、因素影响因素F四、层状地基的等效四、层状地基的等效渗透系数渗透系数n是影响土中是影响土中孔隙直径大小孔隙直径大小的主的主要因素要因素n粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充粗颗粒形成大孔隙；细颗粒充填大孔隙填大孔隙细颗粒决定土体孔细颗粒决定土体孔隙的大小隙的大小土的渗透系数常用土的渗透系数常用有效粒径有效粒径d10来表示，如哈臣公来表示，如哈臣公式：式： 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素n是单位土体中孔

32、隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与与渗透系数渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如： 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素n对粘性土对粘性土，影响颗粒的表面力，影响颗粒的表面力n粘土矿物不同，渗透系数相差极粘土矿物不同，渗透系数相差极大：大：高岭石高岭石伊里石伊里石蒙脱石蒙脱石 ；当；当粘土中含有可交换的钠离子越多粘土中含有可交

33、换的钠离子越多时，其渗透性将越低时，其渗透性将越低n塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素n影响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性，对对粘性土粘性土影响更大影响更大n在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘

34、土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构（片架结构）时，凝聚结构（片架结构）分分散结构（片堆结构）散结构（片堆结构） 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗

35、透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k凝聚结构凝聚结构 分散结构分散结构n水的运动粘滞系数水的运动粘滞系数： 温度温度 ，水粘滞性，水粘滞性 ，k n饱和度（含气量）：封闭气饱和度（含气量）：封闭气泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道：的通道：饱和度小饱和度小k小小 土的性质土的性质 水的性质水的性质粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构渗透系数的影

36、响因素渗透系数的影响因素2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素非饱和土，饱和土？非饱和土，饱和土？内容内容渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F一、水头与水力坡降一、水头与水力坡降F二、土的渗透试验与二、土的渗透试验与达西定律达西定律F三、渗透系数的测定三、渗透系数的测定及影响因素及影响因素F四、层状地基的等效四、层状地基的等效渗透系数渗透系数等效渗透系数等效渗透系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状四、层状

37、地基的四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水平等效渗透系数水平等效渗透系数垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数各层土的各层土的ki单一土层的单一土层的k总体的透水性不变总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层水平等效渗透系数水平等效渗透系数: :kx=?n 已知条件已知条件: :n 达西定律达西定律: :水平等效渗透系数水平等效渗透系数kx2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数LH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kz=?n 已

38、知条件已知条件: :n 达西定律达西定律: :垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数: :垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数kz2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数n 算例说明算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知公式公式四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的

39、等效渗透系数2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律练习练习6 直径直径10.0cm，高度，高度15.0cm的砂质土，以的砂质土，以10.0cm的水头差进行了常水头渗透试验。测得的水头差进行了常水头渗透试验。测得1分分钟的流量为钟的流量为120cm3。 试计算试计算平均流速平均流速v（cm/s），），水力坡降水力坡降i，土的渗透系数（土的渗透系数（cm/s）。）。 设土的孔隙比为设土的孔隙比为0.5，则，则实际流速实际流速vv是多是多少？少？【解】【解】练习练习7 设用于变水头渗透试验的粘土试样的直径为设用于变水头渗透试验的粘土试样的直径为7.10cm，高度为，高度为10.05cm。渗

40、透仪细玻璃管的内径。渗透仪细玻璃管的内径为为1.00cm。试验开始时间为。试验开始时间为10时时10分，水头差为分，水头差为142.1cm。试验结束时间为。试验结束时间为11时时20分，水头差为分，水头差为107.4cm。 试计算粘土的渗透系数试计算粘土的渗透系数k（cm/s）。）。【解】【解】n水头与水力坡降水头与水力坡降n渗透试验与达西渗透试验与达西定律定律n渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素n层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数 渗流渗流的总水头的总水头=位置水头位置水头+压力水头压力水头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱动力达西定律达西定律渗透系数、渗透速度渗透系

41、数、渗透速度达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数小结小结2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力临界水力坡降临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）nhh=0 =0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。nhh0 0 水在流动时，水在流动时，

42、水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力流动的孔隙水对阻力流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、土骨架产生一个摩擦、拖曳力。拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：（渗透作用中，）孔隙水对土：（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骨架的作用力，方向与渗流方向一致2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗渗透透力力j j：单单位位土土体体内内土土骨骨架架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力2.

43、3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察n总渗透力总渗透力J土粒对水流的阻力土粒对水流的阻力（水流克服阻力的损失（水头损失）（水流克服阻力的损失（水头损失） （whA）2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力试验观察渗透力试验观察J水流作用于土体的总渗透力：水流作用于土体的总渗透力：单位土体内土骨架所受到的渗透力：单位土体内土骨架所受到的渗透力：二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失二点总水头差：反映了两点间水流克服摩阻力造成的能量损失截面积截面积A=1h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器abWW = L sat L( + w)P1 = wh

44、wP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整体受力分析土水整体受力分析- -静水静水2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力受力分析渗透力受力分析滤网承受的力滤网承受的力R=？有效重量有效重量w截面积截面积A=1WW = L sat L( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- -渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b2.3 渗透力与

45、渗透变形渗透力与渗透变形渗透力受力分析渗透力受力分析滤网承受的力滤网承受的力R=？有效重量有效重量wR = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- 对对比比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网承受的力减少了网承受的力减少了R = L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力：总渗透力： J= J= w w h hF 渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j = J/V = w h /L = wi2.3 渗

46、透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力受力分析渗透力受力分析i大，则大，则j大大R =W-J 渗流中的土体渗流中的土体F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，它是一种体积力F大小：大小： j = j = w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力性质渗透力性质第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透

47、力渗透力临界水力坡降临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）渗流向上时，滤网承受的力渗流向上时，滤网承受的力减少。减少。滤网承受的力为零时滤网承受的力为零时的水力坡降称为的水力坡降称为临界水力坡临界水力坡降降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流流土破坏土破坏时的水力坡降：时的水力坡降：R = L - w h=0h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr = h/L = / w由于由于icr取决于土取决于土的物理性质的物理性质2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形临界水力坡降临界水力坡降R = W-J=0孔隙比孔隙比e大，大，icr小小第二章第二章 土中水

48、的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力渗透力临界水力坡降临界水力坡降渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）n土工结构物及地基由于土工结构物及地基由于渗流作用渗流作用而出现的变形或而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工结构物发生破坏的常见类型结构物发生破坏的常见类型2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形渗透变形基本类型基本类型 流土流土管涌管涌形成条件形成条件 防治措施防治措施 n流土：流土：在在向上向上的渗透作用下，表

49、层局部范围内的土体或颗的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。粒群同时发生悬浮、移动的现象。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流F 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形流土渗透变形流土Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降F i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：n在自下而上的渗流逸出处，在自下而上的渗流逸出处，任何类型的土任何类型的土，只要满，只要满足水力坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要足水力坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发

50、生流土：发生流土：2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形流土可能性的判别渗透变形流土可能性的判别坝体坝体F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道地表贯通的管道渗流渗流过程演示过程演示1. 在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中

51、移动流失2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形管涌渗透变形管涌n土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土属于非管涌土粘性土属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的无粘性土中发生管涌必须具备相应的 几何条件（内因）几何条件（内因）和和水力条件（外因）水力条件（外因）2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形管涌可能性的判别渗透变形管涌可能性的判别较均匀土较均匀土

52、（CuCu 1010） 几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F发

53、生管涌的发生管涌的必必要条件要条件：粗颗粒：粗颗粒所构成的孔隙直所构成的孔隙直径大于细颗粒直径大于细颗粒直径径2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形管涌可能性的判别渗透变形管涌可能性的判别 几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别F 渗透力能够带渗透力能够带动细颗粒在孔隙动细颗粒在孔隙间滚动或移动间滚动或移动可用管涌临界水可用管涌临界水力坡降表示力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌水力坡降水力坡降级配连续土级配连续土 级配不连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降 icr0.20-0.4

54、00.1-0.3允许坡降允许坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）伊斯托敏娜（苏）中国学者中国学者 Cu 20时时, icr ， 考虑安全系数后：考虑安全系数后： 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形管涌可能性的判别渗透变形管涌可能性的判别流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内

55、细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形流土与管涌的比较流土与管涌的比较渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线F减小减小i i：上游延长渗径：上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压F增大增大i： 下游增加透水下游增加透水 盖重盖重 改善几何条件：设反滤层等改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小水力

56、坡降改善水力条件：减小水力坡降n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透变形防治措施渗透变形防治措施工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数渗透力：概念与计算渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治渗透变形：类型、条件、防治小结小结第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 2.1 概述概述 2.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 第二章完下次课内容：下次课内容：第二章的重点：第二章的重点： 绪论绪论 第一章第一章 土的物理性质与工程分类土的物理性质与工程分类 第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律 第三章第三章 土体中的应力计算土体中的应力计算 第四章第四章 土的变形与地基的沉降土的变形与地基的沉降 第五章第五章 土的抗剪强度土的抗剪强度 第六章第六章 挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力 第七章第七章 地基的承载力地基的承载力 第八章第八章 土坡稳定分析土坡稳定分析