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1、第三章 土的渗透性,3-1 概 述,渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。,土的渗透性：土具有被水透过的性能。,三相系,多孔介质,孔隙流体,孔隙流体流动,能量差,浸润线,土石坝坝基坝身渗流,3-1 概 述,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,3-1 概 述,渗流量,渗流时地下水位,渠道渗流,3-1 概 述,渗流滑坡,3-1 概 述,流土,管涌,渗透所引起的工程问题：,1. 水的问题；,2. 土的问题。,3-1 概 述,土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。,3-2 达西渗透定律,一、达西渗
2、透定律,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、流速缓慢其流动状态大多属于层流。v（mm/s）表示断面平均渗透速度，k（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时的渗透速度。,两点说明：（1）在层流状态的渗流中，渗流速度v与水力坡降成正比，并与土的性质有关。或：砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系。（2）对于密实的粘土，由于吸着水有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始渗透时的水力坡降称为粘性土的起始水力坡降ib.即： （3-3）试验资料表明，密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与
3、水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,在粗颗粒土中（如砾石，卵石），水力坡降较小时，渗透速度与水力坡降才能呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动即进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律不能适用。,A,Av,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,Darcys Law求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面进行的，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均流速大很多,3-2 达西渗透定律,一、达西渗透定律,当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律 K. Terz
4、aghi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: 即，对于比粗砂更细的土，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,3-3 渗透系数的测定,k的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要的力学性质指标 常用数量级现场试验和室内试验两大类，一般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确可靠1.实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土 变水头试验法，透水性小的无粘性土2.现场测定法：实测流速法：色素法、电解质法、食盐法注水法抽水法：降低水位法：平衡法，不平衡法 水位恢复法,（一）常水头法,一、试验室内测定渗透系数,3-3 渗透系数的测定,3-
5、3 渗透系数的测定,基马式渗透仪,70型渗透仪,（二）变水头法,3-3 渗透系数的测定,一、试验室内测定渗透系数,3-3 渗透系数的测定,南55渗透仪,3-3 渗透系数的测定,影响渗透系数的因素1.土的粒度成分和矿物成分的影响：土的颗粒大小，形状及级配，影响土中空隙大小及形状，因而影响渗透性土粒越粗，越浑园，越均匀时，渗透性就大。砂土中含有较多粉土，或粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质时，也大大降低土的渗透性。 种类 级配,3-3 渗透系数的测定,2.孔隙比对渗透系数的影响孔隙比e越大，Vv越大，渗透系数越大，而孔隙体积又决定于孔隙的直径大小，决定于土粒的颗
6、粒大小和级配3.土的结构构造的影响天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土特别是具湿陷性黄土，具有竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。4.结合水膜厚度的影响粘性土中若土粒的结合水膜较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。,3-3 渗透系数的测定,5.土中气体的影响当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞水的渗流，从而降低了的渗透性。这种密闭气泡有时是由溶解于水中的气体分离而形成的，故水的含水量也影响土的渗透系数。其它因素：水温: 试验表明，k与渗透液体的容重及粘滞系数有关；水温不同，容重相差不大，但粘滞系数变化较
7、大，水温升高，粘滞系数降低，k增大.此外，渗透水的性质.,二、现场测定渗透系数抽水法,3-3 渗透系数的测定,3-3 渗透系数的测定,天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计算的依据。,三、成层土的渗透系数,三、成层土的渗透系数,（一）渗流与层面平行,3-3 渗透系数的测定,通过整个土层的总渗流量为各土层渗流量之和,（二）渗流与层面垂直,三、成层土的渗透系数,3-3 渗透系数的测定,通过整个土层的总渗流量与各土层渗流量相等,（二）渗流与层面垂直,三、成层土的
8、渗透系数,3-3 渗透系数的测定,3-3 渗透系数的测定,上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介质内的流动特征均可根据达西定律确定。然而，工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得多，水流形态往往是二向或三向的，这时，介质内的流动特性常逐点不同，并且只能以微分方程的形式表示，然后根据边界条件进行求解。,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,3-4 二向渗流和流网的特征,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,3-4 二向渗流和流网的特征,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,就渗流问题，一组曲线称为等势线，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线为流线
9、，代表渗流的方向。等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网。,二、流网及其特征,3-4 二向渗流和流网的特征,满足拉普拉斯方程的是两组彼此正交的曲线,满足边界条件的流线和等势线的组合才是Laplace方程的正解。对于各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：（1）流线与等势线彼此正交；（2）每个网格的长宽比为常数；（3）相邻等势线间的水头损失相等；（4）各流槽的渗流量相等。 （直观趋势）,二、流网及其特征,3-4 二向渗流和流网的特征,3-4 二向渗流和流网的特征,流网的确定方法：解析、数值、实验(电拟)、图解在工程上广泛应用的多为图解法，简便、迅速。流网绘出后，即可求得渗流场中各点测管水头，水力坡
10、降，渗透流速和渗流量。对于各向异性土中的流网，其解就不是两族正交曲线而是斜交曲线。此时，只要把水平坐标x乘以比例尺转换新坐标x，同时保持y的比例尺不变，就会按各向同性土来处理。由此绘得的流网称变态(正交)流网。,3-4 二向渗流和流网的特征,1.,测管水头,水头损失,式中：,DH,上、下游水位差,N,等势线间隔数,n,等势线数,每一条等势线间隔所消耗的水头,从而可求流网中任一点的测管水头,3-4 二向渗流和流网的特征,2.,孔隙水压力,u,渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管中的,水柱高度,h,u,乘以水的容重,r,w,w,u,r,h,u,=,3.,水力坡降,流网中的任意网格的平均水力
11、坡降：,为该网格处流线的平均长度，可见,减小,则流网网格越密。,3-4 二向渗流和流网的特征,4.,渗透速度,各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根据达西,定律求出：即,V,ki,，其方向为流线的切线方向。,5.,渗透流量,单宽流量：,当,时，,相邻流线间单宽流量相等。,坝下渗流区的总单流量：,M,为流网中的流槽数，,M,流线数,L,通过坝底总渗流量,，,L,：为坝基长度,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流所引起的稳定问题：（1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题；（2） 整体稳定问题。 （实例）,水在土体中流动时，将会引起水头损失。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
12、消耗能量的结果。渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力；渗透力、动水压力。,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,验证渗流力存在的流土试验：当容器B提升到一定高度，容器A与容器B内水位差达到一定值时，可以看到砂面出现沸腾那样的景象，这种现象称为流土或浮冲、砂沸。渗流力的大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，是一种体积力。,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,Fs : 土粒对水流总阻力,以网格中的孔隙水为研究对象,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,沿水流方向力的平衡,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向
13、与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力。 （单位多少？）,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,以网格中的整个土体（包括土粒与孔隙水)为研究对象说明什么问题？静水条件下的演变,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,边界上土粒间传递的力；边界上孔隙水传递的力；土体自重。,渗流问题，两种力的组合： 等效（1）土粒为考察对象；J，W（2）土体为考察对象；W, U,一、渗流力的概念,3-5 渗流力及渗透稳定性,渗流力存在对土体内部受力及整体稳定性等情况的影响 （方向及稳定性分析）,二、渗透变形,（一）渗透变形的形式,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的现象。主要
14、发生在地基或土坝下游渗流溢出处。,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生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗
15、透变形的形式,一般粘性土流土,无粘性土渗透变形的形式与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关。,过渡性土渗透变形的形式与土的密度有关。,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（一）渗透变形的形式,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（二）土的临界水力梯度,土体抵抗渗透破坏的能力，称抗渗强度。通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度。,1、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，
16、土体就处于流土的临界状态。,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,粘性土发生流土破坏的机理与无粘性土不完全相同：不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，与土中含粘土矿物的成分与含量有关）以及渗流出口临空面的孔径等因素有关。,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,流土一般发生在渗流逸出处，根据逸出梯度ie：ie icr 流土,设计时要保证：ie i=icr /Fs 安全 2.0/2.5/3.5,2、管涌型土的临界水力梯度,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,管涌土的临界水力梯度可通
17、过公式计算，也可以通过试验来测定。试验时除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度i与流速v之间的变化来判断管涌是否出现。取其小,（1）临界水力梯度与不均匀系数的关系,3、临界水力梯度的试验资料,5 10 15 20 25 30 35 40,1.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,土的不均匀系数愈大，临界水力梯度愈小。,（2）临界水力梯度与细料含量的关系,3、临界水力梯度的试验资料,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（3）临界水力梯度与渗透系数的关系,对不均匀的土：
18、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。,3、临界水力梯度的试验资料,（二）土的临界水力梯度,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,（1）减小水力梯度； h/L（2）在渗流逸出处加盖压重或设反滤层，或在建筑物下游设置减压井、减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。（3）改善级配,（三）防止渗透变形的措施,二、渗透变形,3-5 渗流力及渗透稳定性,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,孔隙水应力u：饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力,一、饱和土体中的孔隙水应力和有效应力,通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。,孔隙水应力和有效应力之和称为总应力
19、。,只有有效应力才能使土体产生压缩（或固结）和强度。,A：,Aw：,As：,土单元的截面积,颗粒接触点的截面积,孔隙水的截面积,3-6 在静水和有渗流情况下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,太沙基有效应力原理 简释,二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,图a为浸没在水下的饱和土体，设土面至水面的距离为h1，土的饱和容重为sat 土面下深度为h2的a-a平面上的总应力,二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,在静水条件下孔隙水应力等于研究平面上单位
20、面积的水柱重量，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。,地下水位下降引起增大的部分,=-u,u=wh2,u=wh2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,二、在静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,（一）渗流方向由上向下,三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,向下渗流：此时在土层表面b-b上孔隙水应力与静水情况相同，面a-a平面上
21、的孔隙水应力将因水头损失而减小,（一）渗流方向由上向下,三、在稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,与静水情况相比，当有向下渗流作用时，a-a平面上的总应力保持不变，孔隙水应力减少了wh。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。,（二）渗流方向由下向上,h,hw,3-6 在静水和有渗流情况下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,（二）渗流方向由下向上,h,hw,3-6 在静水和有渗流情况下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,总应力不变
22、，孔隙水应力增加，有效应力等量减少。,（二）渗流方向由下向上,h,hw,3-6 在静水和有渗流情况下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,流土的有效应力临界条件,静水条件和渗流情况下的应力情况比较,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,流网绘出后，渗流场中任一点的孔隙水应力可由该点测压管中的水柱高度(压力水头）乘以水的重度得到。 why,四、根据流网确定孔隙水应力,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，通常将这一部分孔隙水应力称为静孔隙水应力；其二是由渗流所引起
23、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,通常将这一部分孔隙水应力称为超静孔隙水应力。,注意：土体的超静孔隙水应力除可由渗流产生外，荷载（动的或静的）也能够在土体内引起超静孔隙水应力。 规律？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,【例题33】如图所示，若地基上的土粒比重Gs为2.68，孔隙率n为38.0， 试求：（1）a点的孔隙水应力和有效应力；（2）渗流逸出处12是否会发生流土？（3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,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h=0.8m，从图中直
24、接量得下游静水位至a点的高差 ha=10m，而超过下游静水位的高度应为 ha=h-h8-0.87.2 m。则a点测压管中的水位高度 hw ha+ ha= 10+7.2=17.2 m。所以，a点的孔隙水应力为 u=whw=9.817.2=168.56 kPa,（1）由图中可知，上下游的水位差h=8m，等势线的间隔数N10，则相邻两等势线间的水头损失h=h/10=8/10=0.8m。,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,其中由下游静水位引起的静孔隙水应力为 u= w ha=9.810=98 kPa而由渗流引起的超静孔隙水应力为u= w ha=9.8 7.2=70.56 kPaa点的
25、总应力为 w h1+ sat (ha-h2),其中土的饱和重度satsat9.8= w1+(Gs-1)(1-n) 9.8 1+(2.68-1)(1-0.38) 9.820 kN/m3 代入上式得总应力为9.8 10+20 (10-2) =98+160=258 kPa 于是，根据有效应力原理，a点的有效应力为 -u =258-168.56=89.44 kPa,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,从图中直接量得网格1，2，3，4的平均渗径长度L=8 m，而任一网格上的水头损失均为h=0.8 m，则该网格的平均水力梯度为 i=h/L0.8/8=0.1该梯度即近似代表地面12处的逸出梯
26、度ie。流土的临界水力梯度为icr=(Gs-1)(1-n)=(2.68-1)(1-0.38)=1.04ie故渗流逸出处12不会发生流土现象。,（2）渗流逸出处12是否会发生流土？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,图中直接量得网格9，10，11，12的平均渗径长度L=5.0 m，两流线间的平均距离b=4.4 m，网格的水头损失h=0.8 m，所以 作用在该网格上的渗流力为J w (h/ L)b Lw b h 9.80.8 4.4=34.5 kN/m,（3）图中网格9，10，11，12上的渗流力是多少？,3-6 在静水和有渗流情况下的孔隙水应力和有效应力,习题：31、32、34、35,
