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1、第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-2 2-2 达西渗透定律达西渗透定律一、渗流的基本概念一、渗流的基本概念一、渗流的基本概念一、渗流的基本概念水头：水头：水头：水头： 根据伯努利根据伯努利根据伯努利根据伯努利(Bernoulli)(Bernoulli)方程，有方程，有方程，有方程，有 水在土中流速很慢，则水在土中流速很慢，则水在土中流速很慢，则水在土中流速很慢，则水头差：水头差：水头差：水头差： 2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-2 2-2 达西渗透定律达西渗透定律二、达西渗透定律二、达西渗透定律二、达西渗透定律二、达西渗透定律 由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体
2、中流动时的粘滞阻力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。很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的著名的著名的著名的达西达西达西达西( (Darcy)Darcy)渗透定律渗透定律渗透定律渗透定律： 渗透速度：渗透速度：渗透速度：渗透速度：或或或或 渗流量为：渗流量为：渗流量为：渗流量为：2024/8/25第二章第二章 土
3、的渗透性土的渗透性 不同的土，渗流速度与水力梯度之间的不同的土，渗流速度与水力梯度之间的不同的土，渗流速度与水力梯度之间的不同的土，渗流速度与水力梯度之间的关系也不同。关系也不同。关系也不同。关系也不同。 砂土如图（砂土如图（砂土如图（砂土如图（a aa a），为过源点的直线。），为过源点的直线。），为过源点的直线。），为过源点的直线。对粘性土：对粘性土：对砾类土和巨粒土，有对砾类土和巨粒土，有2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性 必须指出，求出的渗透速度是一种假想的平均流速，因为它必须指出，求出的渗透速度是一种假想的平均流速，因为它必须指出，求出的渗透速度是一种假想的平均流速
4、，因为它必须指出，求出的渗透速度是一种假想的平均流速，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的，而实际上，渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平渗透水仅仅通过土体中的孔隙流动，实际平均流速要比假想的平均流速大很多。均流速大很多。均流速大很多。均流速大很多。 它们之间的关系为：它们之间的关系为
5、：它们之间的关系为：它们之间的关系为：2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三、达西渗透定律的适用条件三、达西渗透定律的适用条件三、达西渗透定律的适用条件三、达西渗透定律的适用条件只有当只有当只有当只有当渗流为层流渗流为层流渗流为层流渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律。的时候才能适用达西渗透定律。的时候才能适用达西渗透定律。的时候才能适用达西渗透定律。达西渗透定律的适用界限可以考虑为：达西渗透定律的适用界限可以考虑为：达西渗透定律的适用界限可以考虑为：达西渗透定律的适用界限可以考虑为：满足达西渗透定律的土的平均粒径满足达西渗透定律的土的平均粒径满足达西渗透定律的土的平均粒径满足
6、达西渗透定律的土的平均粒径: : 也就是说，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，也就是说，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，也就是说，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，也就是说，对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。而对粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-3 2-3 渗透系数的测定渗透系数的测定 渗透系数的大小是直接
7、衡量土的渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱透水性强弱的一个重要的力学的一个重要的力学性质指标。性质指标。一、实验室内测定渗透系数一、实验室内测定渗透系数就原理而言，可分为：常水头试验和变水头试验。就原理而言，可分为：常水头试验和变水头试验。（一）常水头法（一）常水头法是在整个试验过程中，水头保持不变。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无粘性土。常水头法适用于透水性强的无粘性土。土的渗透系数：土的渗透系数：下页所示为下页所示为基马式基马式渗透仪渗透仪2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-3 2-3 渗透系数的测定渗透系数的测定（二）变水头法（二）变水
8、头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。变水头法适用于透水性弱的粘性土。变水头法适用于透水性弱的粘性土。土的渗透系数：土的渗透系数： 或或 下页为下页为南南55型渗透仪型渗透仪2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-3 2-3 渗透系数的测定渗透系数的测定二、现场测定渗透系数二、现场测定渗透系数在现场打一口试验井和在现场打一口试验井和12个观测孔，根据观测孔与试验井的距离个观测孔，根据观测孔与试验井的距离和各自的水位，可以得到：和各自的水位，可以得到：或或 2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三、影响渗透系数的主要
9、因素三、影响渗透系数的主要因素三、影响渗透系数的主要因素三、影响渗透系数的主要因素 （11）土的粒度成分）土的粒度成分）土的粒度成分）土的粒度成分 （22）土的密实度）土的密实度）土的密实度）土的密实度 （3 3）土的饱和度）土的饱和度）土的饱和度）土的饱和度 （44） 水的温度水的温度水的温度水的温度 （5 5）土的结构）土的结构）土的结构）土的结构 （6 6）土的构造）土的构造）土的构造）土的构造2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性四、成层土的渗透系数四、成层土的渗透系数四、成层土的渗透系数四、成层土的渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于天然沉积土往往由渗
10、透性不同的土层所组成。对于天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面与土层层面与土层层面与土层层面平行和垂直平行和垂直平行和垂直平行和垂直的简单渗流情况，当的简单渗流情况，当的简单渗流情况，当的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知各土层的渗透系数和厚度为已知各土层的渗透系数和厚度为已知各土层的渗透系数和厚度为已知时，时，时，时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行我们可求出整个土层与层面平行和垂
11、直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。渗流计算的依据。渗流计算的依据。渗流计算的依据。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性如图所示如图所示如图所示如图所示与层面平行的与层面平行的与层面平行的与层面平行的渗流情况。通过整个土层的总渗流量渗流情况。通过整个土层的总渗流量渗流情况。通过整个土层的总渗流量渗流情况。通过整个土层的总渗流量qqxx应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即整个土层与层面平行的平均渗流系数为：整个土层与层面平行的平均渗流系数为：整个土层与层面平行的平均渗流系数为：整个土层与层面平行的平均渗流系
12、数为：2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性 如图所示如图所示如图所示如图所示与层面垂直的与层面垂直的与层面垂直的与层面垂直的渗流情况。通过整个土层的总渗流渗流情况。通过整个土层的总渗流渗流情况。通过整个土层的总渗流渗流情况。通过整个土层的总渗流量量量量qqyy应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即应为各土层渗流量之总和，即整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：整个土层与层面垂直的平均渗流系数为：2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-4 2-4 土中的二
13、维渗流和流网土中的二维渗流和流网一、二维渗流方程一、二维渗流方程一、二维渗流方程一、二维渗流方程当渗流场中水头和流速等不随时间改变称为稳定渗流。当渗流场中水头和流速等不随时间改变称为稳定渗流。当渗流场中水头和流速等不随时间改变称为稳定渗流。当渗流场中水头和流速等不随时间改变称为稳定渗流。现从稳定渗流场中任取一微分单元体，根据单位时间流现从稳定渗流场中任取一微分单元体，根据单位时间流现从稳定渗流场中任取一微分单元体，根据单位时间流现从稳定渗流场中任取一微分单元体，根据单位时间流入这个单元体的水量和流出的水量相等，可以得到入这个单元体的水量和流出的水量相等，可以得到入这个单元体的水量和流出的水量相
14、等，可以得到入这个单元体的水量和流出的水量相等，可以得到根据达西定律，有根据达西定律，有根据达西定律，有根据达西定律，有代入上式得代入上式得代入上式得代入上式得2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-4 2-4 土中的二维渗流和流网土中的二维渗流和流网 如果土是各向同性如果土是各向同性如果土是各向同性如果土是各向同性的的的的k kxx等于等于等于等于k kyy，则则则则上式就是著名的拉普拉斯（上式就是著名的拉普拉斯（上式就是著名的拉普拉斯（上式就是著名的拉普拉斯（LaplaceLaplace）方程，方程，方程，方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。它是描述稳定渗流的基本方程式。它
15、是描述稳定渗流的基本方程式。它是描述稳定渗流的基本方程式。 通过求解一定边界条件下通过求解一定边界条件下通过求解一定边界条件下通过求解一定边界条件下拉普拉斯（拉普拉斯（拉普拉斯（拉普拉斯（LaplaceLaplace）方程，方程，方程，方程，就可求得该就可求得该就可求得该就可求得该条件下的渗流场。条件下的渗流场。条件下的渗流场。条件下的渗流场。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性二、流网及其特征二、流网及其特征二、流网及其特征二、流网及其特征 流网：流网：流网：流网：流线和等势线所组成的曲线正交网格。流线和等势线所组成的曲线正交网格。流线和等势线所组成的曲线正交网格。流线和等势
16、线所组成的曲线正交网格。 流线流线流线流线代表渗流的方向，任一点的切线方向代表流代表渗流的方向，任一点的切线方向代表流代表渗流的方向，任一点的切线方向代表流代表渗流的方向，任一点的切线方向代表流速矢量方向。速矢量方向。速矢量方向。速矢量方向。 等势线等势线等势线等势线是渗流场中势能或水头的等值线，在任一是渗流场中势能或水头的等值线，在任一是渗流场中势能或水头的等值线，在任一是渗流场中势能或水头的等值线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的。条等势线上各点的总水头是相等的。条等势线上各点的总水头是相等的。条等势线上各点的总水头是相等的。对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透
17、介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：（1 1）流线与等势线彼此正交；）流线与等势线彼此正交；）流线与等势线彼此正交；）流线与等势线彼此正交；（2 2）每个网格的长宽比为常数；）每个网格的长宽比为常数；）每个网格的长宽比为常数；）每个网格的长宽比为常数；（3 3）相邻等势线间的水头损失相等；）相邻等势线间的水头损失相等；）相邻等势线间的水头损失相等；）相邻等势线间的水头损失相等；（4 4）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。）各流槽的渗流量相等。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性
18、2-5 2-5 渗流力及渗透稳定性渗流力及渗透稳定性渗流所引起的稳定问题：渗流所引起的稳定问题：渗流所引起的稳定问题：渗流所引起的稳定问题：（11） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；（22） 整体稳定问题（土体或结构失稳）。整体稳定问题（土体或结构失稳）。整体稳定问题（土体或结构失稳）。整体稳定问题（土体或结构失稳）。一、渗流力的概念一、渗流力的概念一、渗流力的概念一、渗流力的概念 水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体中流动时，将会引起水头
19、的损失。这种水头损失是由于水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体中流动时，将会引起水头的损失。这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。 渗流力：渗流力：渗流力：渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力渗透力渗透力渗透力、动水（压）力动水（压）力动
20、水（压）力动水（压）力。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性验证渗流力存在的流土试验：验证渗流力存在的流土试验：验证渗流力存在的流土试验：验证渗流力存在的流土试验：当容器当容器当容器当容器BB提升到一定高度，容提升到一定高度，容提升到一定高度，容提升到一定高度，容器器器器AA与容器与容器与容器与容器BB内水位差达到一内水位差达到一内水位差达到一内水位差达到一定值时，可以看到砂面出现沸定值时，可以看到砂面出现沸定值时，可以看到砂面出现沸定值时，可以看到砂面出现沸腾那样的景象，这种现象称为腾那样的景象，这种现象称为腾那样的景象，这种现象称为腾那样的景象，这种现象称为流土或浮冲、砂沸
21、。流土或浮冲、砂沸。流土或浮冲、砂沸。流土或浮冲、砂沸。渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流渗流力的大小与水
22、力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。向）方向一致，是一种体积力。孔隙水为脱离体孔隙水为脱离体孔隙水为脱离体孔隙水为脱离体（11）（22）（33）（44）土粒对水流的总阻力）土粒对水流的总阻力）土粒对水流的总阻力）土粒对水流的总阻力FsFs2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向
23、与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。致，是一种体积力。致，是一种体积力。致，是一种体积力。沿水流方向力的平衡沿水流方向力的平衡沿水流方向力的平衡沿水流方向力的平衡因为因为因为因为2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性对土体而言，以土体为脱离体，其受到的力有：对土体而言，以土体为脱离体，其受到的力有：对土体而言，以土体为脱离体，其受到的力有：对土体而言，以土体为脱离体，其受到的力有：边界上土粒间传递的力；边界上土粒间传递的力；边界上土粒间传递的力；边界上土粒间传递的力；边界上孔隙水传递的力；边界上孔隙水传递的力；边界上孔隙水传递的力；边界上孔隙水传递的力；土体自重。土体自重。土
24、体自重。土体自重。渗流问题，存在两种力的组合：渗流问题，存在两种力的组合：渗流问题，存在两种力的组合：渗流问题，存在两种力的组合：（11）土粒为考察对象：）土粒为考察对象：）土粒为考察对象：）土粒为考察对象：JJ，WW（渗流力与有（渗流力与有（渗流力与有（渗流力与有效重力）效重力）效重力）效重力）（2 2）土体为考察对象；）土体为考察对象；）土体为考察对象；）土体为考察对象；W, UW, U（土体的重力（土体的重力（土体的重力（土体的重力与孔隙水压力）与孔隙水压力）与孔隙水压力）与孔隙水压力）2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性二、渗透变形二、渗透变形二、渗透变形二、渗透变形（
25、一）渗透变形的形式（一）渗透变形的形式（一）渗透变形的形式（一）渗透变形的形式渗透变形可分为：渗透变形可分为：渗透变形可分为：渗透变形可分为：流土和管涌两种基本形式流土和管涌两种基本形式流土和管涌两种基本形式流土和管涌两种基本形式。流土：流土：流土：流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处
26、。的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。管涌：管涌：管涌：管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。根据渗透变形，土可细分为：根据渗透变形，土可细分为：根据渗透变形，土可细分为：根据渗透变形，土可细分为：管涌型土；过渡型土；流土型土。管涌型土；
27、过渡型土；流土型土。管涌型土；过渡型土；流土型土。管涌型土；过渡型土；流土型土。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性（二）土的临界水力梯度（二）土的临界水力梯度（二）土的临界水力梯度（二）土的临界水力梯度土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水土体抵抗渗透破坏的能力，称为抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，力梯度表示，力梯度表示，力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。一般称为临界水力梯度
28、或抗渗梯度。一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。11、流土型土的临界水力梯度、流土型土的临界水力梯度、流土型土的临界水力梯度、流土型土的临界水力梯度当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。当竖向渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土的临界状态。粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同，因为前者不仅仅是粘性土发生流土破坏的机理与无粘
29、性土不完全相同，因为前者不仅仅是由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）由于渗流力作用的结果，而且还与土体表面的水化崩解程度（即水稳性）以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯流土一般
30、发生在渗流逸出处，根据逸出梯度度度度i iee：i iee i icrcr 流土流土流土流土设计时要保证：设计时要保证：设计时要保证：设计时要保证：i iee i i=i icrcr /F/Fs s 安全安全安全安全2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2 2、管涌型土的临界水力梯度、管涌型土的临界水力梯度、管涌型土的临界水力梯度、管涌型土的临界水力梯度 管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测
31、定。试验时除了根据试验时除了根据试验时除了根据试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动肉眼观察细土粒的移动肉眼观察细土粒的移动肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于来判断管涌外，还可借助于来判断管涌外，还可借助于来判断管涌外，还可借助于水力水力水力水力梯度梯度梯度梯度i i与流速与流速与流速与流速v v之间的变化来判断管涌是否出现。之间的变化来判断管涌是否出现。之间的变化来判断管涌是否出现。之间的变化来判断管涌是否出现。（11）公式：）公式：）公式：）公式：（22）肉眼观察肉眼观察肉眼观察肉眼观察（33）水力梯度水力梯度水力梯度水力梯度ii与与与与流速流速流速流速vv之间的变化之间的变化之间的
32、变化之间的变化2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性33. . 临界水力梯度的试验资料临界水力梯度的试验资料临界水力梯度的试验资料临界水力梯度的试验资料（11）临界水力梯度与不均匀系数的关系）临界水力梯度与不均匀系数的关系）临界水力梯度与不均匀系数的关系）临界水力梯度与不均匀系数的关系 土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小。（2 2）临界水力梯度与细料含量的关系）临界水力梯度与细料含量的关系）临界水力梯度与细料含量的关系）临界水力梯度与细料含量的关系2024/8/25第二章
33、第二章 土的渗透性土的渗透性（3 3）临界水力梯度与渗透系数的关系）临界水力梯度与渗透系数的关系）临界水力梯度与渗透系数的关系）临界水力梯度与渗透系数的关系对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差；对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差；对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差；对于不均匀的土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差； 如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强。防止渗透变形发生的措施防止渗透变形发生的措施防止渗透变形发生的措施防止渗透
34、变形发生的措施： （11）减小水力梯度；）减小水力梯度；）减小水力梯度；）减小水力梯度； （22）加盖压重、反滤层、减压井）加盖压重、反滤层、减压井）加盖压重、反滤层、减压井）加盖压重、反滤层、减压井 （33）改善级配）改善级配）改善级配）改善级配2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-6 2-6 孔隙水应力和有效应力孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔
35、隙水应力把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常，常，常，常以以以以uu表示。表示。表示。表示。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-6 2-6 孔隙
36、水应力和有效应力孔隙水应力和有效应力太沙基有效应力原理太沙基有效应力原理：把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。定义：定义：定义：定义：研究平面总面积研究平面总面积研究平面总面积研究平面总面积AA；粒间接触面积粒间接触面积粒间接触面积粒间接触面积AsAs；孔隙水面积孔隙水面积孔隙水面积孔隙水面积AwAw（AAAsAs）2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性图为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为图为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为图为浸
37、没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为图为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为hh11,土的饱和容土的饱和容土的饱和容土的饱和容重为重为重为重为satsat ，则土面下深度为，则土面下深度为，则土面下深度为，则土面下深度为hh22的的的的a-aa-a平面上的总应力为平面上的总应力为平面上的总应力为平面上的总应力为二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究
38、平面上单位面积的由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的由此可见，在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，而与
39、超出土面以上静水位的高低无关。正比，也呈三角形分布，而与超出土面以上静水位的高低无关。正比，也呈三角形分布，而与超出土面以上静水位的高低无关。正比，也呈三角形分布，而与超出土面以上静水位的高低无关。其中，孔隙水应力为其中，孔隙水应力为其中，孔隙水应力为其中，孔隙水应力为于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应
40、力三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力图中表示在水位差作用下发生图中表示在水位差作用下发生图中表示在水位差作用下发生图中表示在水位差作用下发生由上向下的渗流由上向下的渗流由上向下的渗流由上向下的渗流情况。此时在土层表情况。此时在土层表情况。此时在土层表情况。此时在土层表面面面面b-bb-b上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于上的孔隙水应力与静水情况相同，仍等于wwhh11，面面面面a-aa-a平面上平面上平面上平面上的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为的孔隙
41、水应力将因水头损失而减小，其值为的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为的孔隙水应力将因水头损失而减小，其值为2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性a-aa-a平面上的总应力仍保持不变，等于平面上的总应力仍保持不变，等于平面上的总应力仍保持不变，等于平面上的总应力仍保持不变，等于于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为与静水情况相比，当有向下渗流作用时，与静水情况相比，当有向下渗流作用时，与静水情况相比，当有向下渗流作用时，与静水情况相比，当有
42、向下渗流作用时，a-aa-a平面上的总应力保持不平面上的总应力保持不平面上的总应力保持不平面上的总应力保持不变，孔隙水应力减少了变，孔隙水应力减少了变，孔隙水应力减少了变，孔隙水应力减少了wwhh。因而，因而，因而，因而，证明了总应力不变的条件下孔证明了总应力不变的条件下孔证明了总应力不变的条件下孔证明了总应力不变的条件下孔隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。隙水应力的减少等于有效应力的等量增加。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性向上渗流的情况向上渗流的情况向上渗流的情况向上渗流的情况：与静水情况相
43、比，当有向上渗流作用时，与静水情况相比，当有向上渗流作用时，与静水情况相比，当有向上渗流作用时，与静水情况相比，当有向上渗流作用时，a-aa-a平面上的总应力保持不变，孔平面上的总应力保持不变，孔平面上的总应力保持不变，孔平面上的总应力保持不变，孔隙水应力增加了隙水应力增加了隙水应力增加了隙水应力增加了 wwh h，而有效应力相应地减少了而有效应力相应地减少了而有效应力相应地减少了而有效应力相应地减少了 wwh h 。因而，。因而，。因而，。因而，又一次证明在又一次证明在又一次证明在又一次证明在总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应
44、力的等量减少总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少总应力不变的条件下孔隙水应力的增加等于有效应力的等量减少。a-aa-a平面上的总应力平面上的总应力平面上的总应力平面上的总应力a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为a-aa-a平面上的孔隙水应力平面上的孔隙水应力平面上的孔隙水应力平面上的孔隙水应力2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性向上渗流的情况向上渗流的情况向上渗流的情况向上渗流的情况：a-aa-a平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为平面上的有效应力为流土：流土：流土：流土：2024/8/25第
45、二章第二章 土的渗透性土的渗透性四、根据流网确定孔隙水应力四、根据流网确定孔隙水应力四、根据流网确定孔隙水应力四、根据流网确定孔隙水应力按照上述孔隙水应力的定义，一旦流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水按照上述孔隙水应力的定义，一旦流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水按照上述孔隙水应力的定义，一旦流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水按照上述孔隙水应力的定义，一旦流网绘出以后，渗流场中任一点的孔隙水应力即可由该点的测压管中的水柱高度应力即可由该点的测压管中的水柱高度应力即可由该点的测压管中的水柱高度应力即可由该点的测压管中的水柱高度(或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重度得到
46、。或称压力水头）乘以水的重度得到。或称压力水头）乘以水的重度得到。当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力当计算点位于下游静水位以下时，按照测压管中水柱高度算出的孔隙水应力是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部是由两部分组成的：其一是由下游静水位产生的孔隙水应力，通常将这一部分孔隙
47、水应力称为分孔隙水应力称为分孔隙水应力称为分孔隙水应力称为静孔隙水应力静孔隙水应力静孔隙水应力静孔隙水应力；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的；其二是由渗流所引起的，即超过静水位的那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力那一部分测压管水柱所产生的孔隙水应力,通常将这一部分孔隙水应力称为通常将这一部分孔隙水应力称为通常将这一部分孔隙水应力称为通常将这一部分孔隙水应力称为超超超超静孔隙水应力。静孔隙水应力。静孔隙水应力。静孔隙水应力。注意：土体的超静孔隙
48、水应力注意：土体的超静孔隙水应力注意：土体的超静孔隙水应力注意：土体的超静孔隙水应力除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载除可由渗流产生以外，荷载（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体（动的或静的）也能够在土体内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。内引起超静孔隙水应力。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性【例题】如图所示，若地基土的土粒【例题】如图所示，若地基土的土粒【例题】如图所示，若地基土的土粒【例题】如图所示，若地基土的土粒 比重比重比重比重ddss为为为为2.682.6
49、8，孔隙率，孔隙率，孔隙率，孔隙率nn为为为为38.038.0， 试求试求试求试求：（11）aa点的孔隙水应力和有效应力；点的孔隙水应力和有效应力；点的孔隙水应力和有效应力；点的孔隙水应力和有效应力；（22）渗流逸出处）渗流逸出处）渗流逸出处）渗流逸出处1122是否会发生流土？是否会发生流土？是否会发生流土？是否会发生流土？（33）图中网格）图中网格）图中网格）图中网格99，1010，1111，1212上的渗流上的渗流上的渗流上的渗流 力是多少？力是多少？力是多少？力是多少？ 【解】【解】【解】【解】（11）由图中可知，上下游的水位差）由图中可知，上下游的水位差）由图中可知，上下游的水位差）由
50、图中可知，上下游的水位差h=8mh=8m，等势线的间隔数等势线的间隔数等势线的间隔数等势线的间隔数NN1010，则相则相则相则相 邻两等势线间的水头损失邻两等势线间的水头损失邻两等势线间的水头损失邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8mh=h/10=8/10=0.8m。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性a a点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低点在第二根等势线上，因此，该点的测压管水位应比上游水位低h=0.8mh=0.8m，从图中直
51、接量得下游静水位至从图中直接量得下游静水位至从图中直接量得下游静水位至从图中直接量得下游静水位至a a点的高差点的高差点的高差点的高差 h haa=10m=10m，而而而而超过下游静水位的高度应为超过下游静水位的高度应为超过下游静水位的高度应为超过下游静水位的高度应为 h haa=h-h=h-h8-0.88-0.87.2 m7.2 m。则则则则a a点测压管中的水位高度点测压管中的水位高度点测压管中的水位高度点测压管中的水位高度 h hww h haa+ h+ haa= 10+7.2=17.2 m= 10+7.2=17.2 m。所以，所以，所以，所以，a a点的孔隙水应力为点的孔隙水应力为点的
52、孔隙水应力为点的孔隙水应力为 u=u= wwh hww=9.817.2=168.56 =9.817.2=168.56 kPakPa其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为 u= u= w w h haa=9.810=98 =9.810=98 kPakPa而由渗流引起的超静孔隙水应力为而由渗流引起的超静孔隙水应力为而由渗流引起的超静孔隙水应力为而由渗流引起的超静孔隙水应力为 uu= = w w hhaa=9.8 7.2=70.56 =9.8 7.2=70.56 kPakPaaa点的总应力为点的
53、总应力为点的总应力为点的总应力为 w w hh11+ + sat sat (h(haa-h-h22)2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性 其中土的饱和重度其中土的饱和重度其中土的饱和重度其中土的饱和重度 satsat satsat9.8= 9.8= ww1+(d1+(dss-1)(1-n) -1)(1-n) 9.89.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.81+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 20 kN/mkN/m33 代入上式得总应力为代入上式得总应力为代入上式得总应力为代入上式得总应力为 9.89.8 10+20 (10-2)=98+160=258 1
54、0+20 (10-2)=98+160=258 kPakPa 于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，于是，根据有效应力原理，a a点的有效应力为点的有效应力为点的有效应力为点的有效应力为 -u =258-168.56=89.44 -u =258-168.56=89.44 kPakPa（22）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格11，22，33，44的平均渗径长度的平均渗径长度的平均渗径长度的平均渗径长度L=8 mL=8 m，而而而而 任一网格上的水头损失均为任一网格上的水头损失均为任一网格上的水头损失均为任一网格上的水头
55、损失均为h=0.8 mh=0.8 m，则该网格的平均水力梯度为则该网格的平均水力梯度为则该网格的平均水力梯度为则该网格的平均水力梯度为 i=h/Li=h/L0.8/8=0.10.8/8=0.1 该梯度即近似代表地面该梯度即近似代表地面该梯度即近似代表地面该梯度即近似代表地面1122处的逸出梯度处的逸出梯度处的逸出梯度处的逸出梯度iiee。2024/8/25第二章第二章 土的渗透性土的渗透性 流土的临界水力梯度为流土的临界水力梯度为流土的临界水力梯度为流土的临界水力梯度为 iicrcr=(d=(dss-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04-1)(1-n)=(2.68-1)(
56、1-0.38)=1.04iiee 所以，渗流逸出处所以，渗流逸出处所以，渗流逸出处所以，渗流逸出处1122不会发生流土现象。不会发生流土现象。不会发生流土现象。不会发生流土现象。（33）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格）从图中直接量得网格99，1010，1111，1212的平均渗径长度的平均渗径长度的平均渗径长度的平均渗径长度L=5.0 m L=5.0 m ，两流线间的平均距离两流线间的平均距离两流线间的平均距离两流线间的平均距离b=4.4 mb=4.4 m，网格的水头损失网格的水头损失网格的水头损失网格的水头损失h=0.8 mh=0.8 m，所以所以所以所以 作用在该网格上的渗流力为作用在该网格上的渗流力为作用在该网格上的渗流力为作用在该网格上的渗流力为 J J w w (h/ L)b L(h/ L)b Lw w b hb h 9.80.8 4.4=34.5 9.80.8 4.4=34.5 kN/mkN/m2024/8/25End of Chapter 2习题：习题：21、22、24、252024/8/25基马式渗透仪基马式渗透仪10cm10cm2024/8/25精品课件精品课件！2024/8/25精品课件精品课件！2024/8/25南南55渗透仪渗透仪2024/8/25
