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1、第二章第二章 土的渗透性土的渗透性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具有被水等液体透过的性质土具有被水等液体透过的性质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渗流滑坡渗流滑坡2.2土的水理性土的水理性2.2.1土的毛细水性质土的毛细水性质2.2.2冻土冻土因素：土的类型、水、温度因素：土的类型、水、温度（四）（四
2、） 冻结深度冻结深度冻胀丘冻胀丘随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘。表就发生隆起，便形成冻胀丘。渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降ABLh1h2zAzBhh00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头:单位重量（容重）水体所具有的能量单位重量（容重）水体所具有的能量 z：位置水头：位置水头 u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头00A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：2.4、达西渗透定律、达西渗
3、透定律1856年，法国学者达西（年，法国学者达西（Darcy,H.）根据砂土）根据砂土渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比 即达西定律：即达西定律：v v 平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（cm/scm/s或或或或m/sm/s） k k 渗透系数（渗透系数（渗透系数（渗透系数（cm/scm/s或或或或m/s,m/dm/s,m/d） h h 试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失L L 渗径长度渗径长度渗径长度渗径长度k: k: 反映土的透水性能的比例系
4、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，称为渗透系数试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L， q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降1.1.渗透试验渗透试验试验条件试验条件: : h1，A，L量测变量量测变量: : h2，Q，th=h1-h2达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律 Darcy s law Darcy s law 达西定律适用条件达西定律适用条件层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重疏松的粘土及砂性较重的粘性土的粘性土砂土的水力梯
5、度与渗透速度砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透呈线性关系，符合达西渗透定律。定律。粗粒土：粗粒土：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 两种特例两种特例粘性土：粘性土：clay致密的粘土致密的粘土 ivovcrivoi0clayv=k(i - i0 )2.52.5. . 渗透系数渗透系数k k的测定的测定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测定方法测定方法粗粒土粗粒土细粒土细粒土 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i
6、=h/LQv=ki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带入带入2.5.1 室内试验测定方法室内试验测定方法=vAt=qt例：例：图图 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条件试验条件: : h h变化，变化，A A，L L透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土tt+ tdQ= - adhdQ=vAdt流入量流入量：流出量：流出量：=kiAdt- adh2.5.2 2.5.2 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的k ki i根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状LH1H
7、2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :等效渗透系数等效渗透系数: :qx=vxH=kxiHqix=kiiiHikxiHkiiiHi1m竖直渗流竖直渗流:H1H2H3Hhk1k2k3xzv条件条件: :等效渗透系数等效渗透系数: :vi = ki (hhi i/ /Hi)算例说明算例说明 H1H2H3Hk1k2k3x2.5.32.5.3影响因素影响因素 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l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数l饱和度（含气量）（饱和度低，饱和度（含气量）（饱和度低，渗透性差渗透性差) )封闭气泡
8、封闭气泡对对k k影响很大，影响很大，2.6.二维渗流及流网应用二维渗流及流网应用 流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流等势线和流线所形成的网络状曲线簇。线所形成的网络状曲线簇。流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。等势线等势线测压管水头相同的点之连线测压管水头相同的点之连线 。流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。流问题。H h0ABCDHh h00 绘制方法绘制方法根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方
9、形初步绘制流网初步绘制流网作流网图时：相邻两条流线之间通过的流量相等作流网图时：相邻两条流线之间通过的流量相等 相邻两条等势线之间的势能差值相等相邻两条等势线之间的势能差值相等流网特点：流网特点：与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 h为常量为常量等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h相等相等1.上下游水位差上下游水位差 h5 任意网格内的渗透速度任意网格内的渗透速度6任意两相邻流线间单位宽度流量任意两相邻流线间单位宽度流量4水力坡降水力坡降l为该网格处流线的平均长度为该网格处流线的平均长度Hh0lsls2.相邻两条等势线之间的相邻两条等势线之间的水头损失水头损失 h=h/NdNd等势
10、线间隔数等势线间隔数3.孔隙水压力孔隙水压力 u=HwH测压管水柱高度测压管水柱高度s为该网格处平均等势线长度，取为该网格处平均等势线长度，取s= l7总单位宽度流量总单位宽度流量Nf流线间隔数流线间隔数 流网图的应用流网图的应用例：土体的渗透系数例：土体的渗透系数K=310-4mm/s。求。求1.abcde各点的孔隙水压力各点的孔隙水压力2.地基的单位渗水量地基的单位渗水量3.阴影部分流网的平均流阴影部分流网的平均流线长度为线长度为4.6m求该流网求该流网的水利坡降。的水利坡降。解：解：1.a、e点位于水面。孔隙水压力为点位于水面。孔隙水压力为0吧吧b、d点位于土层表面点位于土层表面水头损失
11、：水头损失：c点孔隙水压力为：点孔隙水压力为：a18m 09m 1m 9m ebdc2.地基的单位渗水量地基的单位渗水量a18m 09m 1m 9m ebdc3.阴影部分流网的平阴影部分流网的平均流线长度为均流线长度为4.6m求求该流网的水利坡降。该流网的水利坡降。2.7 2.7 渗透力与临界水力梯度渗透力与临界水力梯度 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的水在流动时，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。孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。土粒土粒渗渗 流流G渗透力渗透力 G d渗透作用中，孔隙水对土骨渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗
12、流方向一致。架的作用力，方向与渗流方向一致。4点，渗流力与重力方点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利向相反，对稳定特别不利1点，渗流力与重力方向一致，点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，点，3点，渗流力与重力方点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利向正交，对稳定不利2.7.2 2.7.2 流土管涌流土管涌基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作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 流土流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的
13、渗透作用下，表层局部土体颗粒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坝体坝体渗流渗流原因：原因：不发生流土不发生流土发生流土发生流土iicr流土例开挖基坑，土体为均质各向同性的粉质粘土厚例开挖基坑，土体为均质各向同性的粉质粘土厚14.24m，底部，底部为砂土。地下水在地表以下为砂土。地下水在地表以下2m处。粉质粘土的孔隙比处。粉质粘土的孔隙比e为为0.62，比重为比重为2.7。那么基坑开挖多深可以避免发生流土。那么基坑开挖多深可以避免发生流土。某建筑工程基槽排水，引起地下水由下往上流某建筑工程基槽排水，引起地下水由下往上流动。水水头差差70cm，渗径，渗径为60cm，砂土的，
14、砂土的饱和重度和重度。问是否会是否会发生流土生流土 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，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，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，最终在土中形成与地表贯通的管道。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。管涌管涌破坏管涌管涌管涌管涌的治理v反滤倒渗反滤倒渗管涌的治理v反滤围井反滤围井管涌的治理v蓄水反压蓄水反压 土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中
15、最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。穿始终的。是使土力学成为一门独立学科的重要标志。2.8 3.3有效应力原理有效应力原理20032003年广东发生多起房屋倒塌，级初步鉴定是由于天气年广东发生多起房
16、屋倒塌，级初步鉴定是由于天气年广东发生多起房屋倒塌，级初步鉴定是由于天气年广东发生多起房屋倒塌，级初步鉴定是由于天气严重干旱，过量开采地下水，使有效应力增加严重干旱，过量开采地下水，使有效应力增加严重干旱，过量开采地下水，使有效应力增加严重干旱，过量开采地下水，使有效应力增加 饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成的两相体，受外力后由两种应力形式承担成的两相体，受外力后由两种应力形式承担成的两相体，受外力后由两种应力形式承担成的两相体，受外力后由两种应力形
17、式承担: : 粒间应力粒间应力粒间应力粒间应力: : 土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递土骨架承担，由颗粒之间的接触传递通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力通过土粒间的接触面传递的应力叫有效应力 孔隙水压力：孔隙水承担，由孔隙水压力：孔隙水承担，由孔隙水压力：孔隙水承担，由孔隙水压力：孔隙水承担，由 连通的孔隙水传递连通的孔隙水传递连通的孔隙水传递连通的孔隙水传递（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（
18、只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）（只有有效应力才能使土体产生固结和强度的改变）为作用于任意面上的全部应力为作用于任意面上的全部应力（自重应力与附加应力）；（自重应力与附加应力）； 为有效应力，为有效应力，作用于同一平面的土的骨架上，也称粒间应力；作用于同一平面的土的骨架上，也称粒间应力；u 为孔隙水压力，为孔隙水压力，=- u 2.8.2静水条件下有效应力静水条件下有效应力 稳定渗流作用下的有效应力稳定渗流作用下的有效应力l向下渗流向下渗流稳定渗流作用下的有效应力稳定渗流作用下的有效应力l向上渗流向上渗流例例总结总结1、达西渗透定律、达西渗透定律根据砂土渗透，水的渗透速度与水力坡降成正比根据砂土渗透，水的渗透速度与水力坡降成正比即达西定律：即达西定律：2 达西定律适用条件达西定律适用条件层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土砂性较重的粘性土3、水平渗流、水平渗流等效渗透系数等效渗透系数: :4、竖直渗流、竖直渗流:等效渗透系数等效渗透系数: :6、渗透力、渗透力 Gd：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用：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。力，方向与渗流方向一致。不发生流土不发生流土发生流土发生流土7、临界水力梯度、临界水力梯度8.有效应力原理有效应力原理
