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1、土中水的运动规律土中水的运动规律第二章第二章 土的土的毛细性毛细性是指能够产生毛细现象的性质。土的是指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象毛细现象是指土中水是指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙移动的现象。土的毛细性在以下几个方面在表面张力作用下，沿着孔隙移动的现象。土的毛细性在以下几个方面对工程有影响：对工程有影响：（1 1）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；）毛细水的上升是引起路基冻害的因素之一；（2 2）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；）对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿；（3 3）毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工程和农业经）毛细水的上升可能
2、引起土的沼泽化和盐渍化，对建筑工程和农业经济有很大的影响。济有很大的影响。 土层中的毛细水带可分为以下三种：土层中的毛细水带可分为以下三种：（1 1）正常毛细水带：位于毛细水带下部，和地下水位连通，毛细水几乎）正常毛细水带：位于毛细水带下部，和地下水位连通，毛细水几乎 充满了土的孔隙；充满了土的孔隙；（2 2）毛细网状水带：位于毛细水带中部；）毛细网状水带：位于毛细水带中部；（3 3）毛细悬挂水带：位于毛细水带的上部，毛细水由地表水渗入而成，）毛细悬挂水带：位于毛细水带的上部，毛细水由地表水渗入而成， 水悬挂在土颗粒之间，不与中部和下部的毛细水相连。水悬挂在土颗粒之间，不与中部和下部的毛细水相
3、连。第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述毛细水毛细水2.1 概述概述土中毛细现象土中毛细现象 上升高度上升高度:r2hcw=2rTcos毛细水毛细水分布在土粒内部相互贯通分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连不一、直径互异、彼此连通的毛细管通的毛细管毛细升高与孔径成反比毛细升高与孔径成反比黏土黏土粉土粉土砂土砂土砾石砾石分析对象分析对象: 水柱水柱第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述对砂土强度的影响对砂土强度的影响:毛细边角毛细边角水水, 假凝聚力假凝聚力 假定假定= 0, 毛细压力毛细压力2rTcos+ucr2 = 0
4、毛细压力毛细压力分析对象分析对象:水膜水膜第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述第二章第二章 土的渗透性土的渗透性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在土体孔隙中流动的现象水在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土体被水透过的性能土体被水透过的性能渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性能量差能量差2.1概述概述重力水重力水渗漏渗漏 (渗流量问题渗流量问题)因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。 渗透稳定渗透稳定(
5、渗透变形问题渗透变形问题):土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。渗流控制问题：渗流控制问题：当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。取工程措施进行渗流控制。 土的渗透性研究主要包括以下三个方面土的渗透性研究主要包括以下三个方面渗流模型：渗流模型： 1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主 要流向；要流向； 2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔
6、隙和土粒、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒 所占的空间之和均为渗流所充满。所占的空间之和均为渗流所充满。第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述滑坡溃坝管涌防渗墙防渗墙射水法施工防渗墙管涌的治理反滤倒渗反滤围井蓄水反压2.1概述概述渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述渗水压力渗水压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流第二章第二章 土的渗透性土的渗
7、透性2.1概述概述渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述渗流量渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.1概述概述渗流量渗流量渗透变形渗透变形渗水压力渗水压力渗流滑坡渗流滑坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水
8、结构物引水结构物 基坑等地下施工基坑等地下施工边坡渗流边坡渗流第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 一一Darcy定律定律二二Darcy定律的适用范围定律的适用范围三渗透试验简介三渗透试验简介水在土中渗透的基本规律水在土中渗透的基本规律四四影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素第二章第二章 土的渗透性土的渗透性 五五层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数h1h2L2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 一一. . DarcyDarcy定律定律第二章第二章 土的渗透性土的渗透性Darcy Darcy 定律定律:
9、:在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比。的一次方成正比。k:k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, mm/s, cm/s, m/sm/s, m/day, m/day水力坡降：水力坡降：2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 注意：注意：AAvV V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均
10、渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQVA VsA第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 二二. . 达西定律达西定律适用条件适用条件上限：粗粒土上限：粗粒土 vvcr砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s可以用粒径来描述可以用粒径来描述Darcy定律的范围定律的范围 ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较重的黏性土重的黏性土 两
11、种特例两种特例下限：黏性土下限：黏性土(结合水膜的影响）结合水膜的影响）致密的黏土致密的黏土 ii0, v=k(i - i0 )第二章第二章 土的渗透性土的渗透性室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 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第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三三.渗透试验简介渗透试验简介 2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 1.1. 室内试验方法室内试验方法11常水头试验法常水头试验法结果整理结果整理试验装置：
12、试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : Q，t适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三三.渗透试验简介渗透试验简介 2.1 2.1 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 2.2.室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const，a量测变量量测变量: : h ，t透水性较小的黏性土透水性较小的黏性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土第二章第二章 土的渗透性土的渗透性
13、三三.渗透试验简介渗透试验简介 tt+ t2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdh流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三三.渗透试验简介渗透试验简介 渗水量随渗水量随h的减小而增加的减小而增加2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 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算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LQ，t重复试
14、验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t3. 3. 室内试验方法室内试验方法不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土黏性土黏性土第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三三.渗透试验简介渗透试验简介 4. 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用
15、较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三三.渗透试验简介渗透试验简介 2.2 2.2 土的渗透试验和达西定律土的渗透试验和达西定律 第二章第二章 土的渗透性土的渗透性5.渗透系数的应用渗透系数的应用 通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗 透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。强透水层强透水层中等透水层中等透水层相对不透水层相对不透水层K10-2cm/sK=10-310-5cm/sK0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土
16、骨架水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j 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。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。渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh222hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏111. 渗透力渗透力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j第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏1. 1. 渗透力渗透力h20
17、0hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏1. 1. 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P
18、1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏1. 1. 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh渗透力渗透力 j = J/V = wh/L = wij = wi
19、第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏1. 1. 渗透力渗透力1. 1. 渗透力渗透力2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：渗流作用于单位土体的力（渗流作用于单位土体的力（kN/m），是渗流对土），是渗流对土粒的作用力，为体积力。粒的作用力，为体积力。 j = wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架基本类型基本类型 2.2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏） 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作
20、用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）（1 1）渗透变形）渗透变形土粒土粒间不存在接触不存在接触应力，力，处于即将被浮于即将被浮动的的临界状界状态。当。当时，土粒被渗流，土粒被渗流夹带向上浮向上浮动。总渗透力：总渗透力： 浮浮 重：重： 当当时， 有效应力有效应力： 渗透变形的危害：渗透变形的危害：a、土粒被渗流带走，
21、地基中形成过通穴道，上部结构倒塌；、土粒被渗流带走，地基中形成过通穴道，上部结构倒塌；b、滑坡。、滑坡。渗流引起的渗透破坏主要有1. 由于渗流力（渗透力）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2. 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管涌流砂（或流土）滑坡水库塌岸，岸坡、土坝在水位降落时滑动，挡土墙等结构物失稳在土坡稳定分析中讲引起第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）黏性土黏性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体（2 2）基本形式）基本形式 2
22、.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）a 流土流土渗流渗流原因：原因：2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性在渗流作用下，黏性土或无黏性土体中某一范围内的颗粒或颗粒群同在渗流作用下，黏性土或无黏性土体中某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生流动的现象时发生流动的现象。下游的土坡局部面积出现被渗流带走并导致坡面下游的土坡局部面积出现被渗流带走并导致坡面出现局部滑动。出现局部滑动。 当当iicr时时,发生渗透破坏。发生渗透破坏。 流砂产生的原因：流砂产生的原因：1.水在土中自下而上渗流水在土中自下而上渗流 2.JW第二章第二章 土的渗透性土
23、的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）（2 2） 基本形式基本形式 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，无黏性土土体中的细小颗粒，通过粗大颗粒的孔在渗流作用下，无黏性土土体中的细小颗粒，通过粗大颗粒的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。隙，发生移动或被水流带出的现象。 管涌管涌破坏2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基
24、本形式（渗透破坏）流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发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溢可发生于土体内部和渗流溢出处出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无黏性土或分散性黏土无黏性土或分散性黏土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致
25、结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性（2 2） 基本形式基本形式 2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）（3 3）形成条件）形成条件Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）（3 3）形成条件
26、）形成条件2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性a、黏性土及、黏性土及的匀粒砂土，在一定水力坡降下，易的匀粒砂土，在一定水力坡降下，易发生流土。生流土。b、级配不连续、级配不连续 ，细粒，细粒 ，管涌；，管涌； 细粒细粒 ，流土。，流土。 c、正常级配、正常级配 ， ，管涌；，管涌； ，流土。，流土。 2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）D0孔隙的平均直径孔隙的平均直径 指某粒径的土粒含量为指某粒径的土粒含量为5%、3%所对应的粒径所对应的粒径。 2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性（4
27、4）临界坡降）临界坡降临界坡降：使土体开始渗透变形的水力坡降。临界坡降：使土体开始渗透变形的水力坡降。a.流土：流土：b.管涌：（没有公认的公式）管涌：（没有公认的公式）经验公式经验公式 2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）(5) (5) 防治措施防治措施 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小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防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：
28、减小渗透坡降减小渗透坡降2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）最大的管涌处最大的管涌处最大的管涌处 2002.8.22湘江大堤望城靖港镇东湖湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。大堤从凌晨砂卵石填压。大堤从凌晨1时出现的险时出现的险情到下午情到下午5点得到了完全控制。点得到了完全控制。第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2.3 渗透力和渗透破坏渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）渗透变形及其基本形式（渗透破坏）第二章第二章 完完
