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1、第三章：土的渗透性与渗流,本章的主要内容：达西定律；渗透系数的测定方法；渗流力。,3.1 概述渗透或渗流-土空隙中存在的水当有水头差作用时，水通过土中空隙的流动。,在重力作用下，地下水的流动（土的渗透性问题）土中附加应力作用下孔隙水的挤出（土的固结问题）表面张力作用下，土的毛细现象；土颗粒的分子引力作用下结合水的运动，冻结时的土中水分的移动；,基本概念,渗透-土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。渗透性-土体具有被水透过的性质称为渗透性；渗流-水在土孔隙中的流动问题称为渗流。渗透与渗流的基本问题：（1）渗流量问题（2）渗透破坏问题（3）渗流控制问题,工程上常见的渗透与渗流问题,基坑、隧道开挖过
2、程中的渗水；-基坑、隧道的涌水、淹没等 挡水土坝的渗水；-水量损失、土坝跨塌 地下水的污染；-水体污染 地下水的开采；-地面沉降、开裂等,渗流与渗透,防渗墙,3.2 土的渗透性法国工程师H达西（Darcy，1855）对均匀砂进行渗透试验，得到层流条件下土中水渗透速度与能量（水头）损失之间的关系，即达西定律。达西定律：单位时间内的渗出水量 q 与圆筒断面积A和水力梯度 i 成正比，且与土的透水性质有关。,水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比,参数与定义,v：渗透速度（cm/s或m/s）q：渗流量（cm3/s或m3/s）i:水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，
3、无因次h:试样两端的水位差，即水头损失L:渗径长度K:渗透系数（cm/s或m/s,m/d）A:试样截面积（cm2或者m2）,适用：中砂、细砂、粉砂等，粗砂、砾石、卵石等粗颗粒不适用,公式应用的假定,按照达西定律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土体截面来进行的。实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多，如均质砂土的孔隙率为 n，则他们之间的关系为达西定律中采用的渗径长度并不是渗流的实际长度，土中渗流的实际长度要大于计算长度。,达西定律的适用条件,达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，渗流速度 v 与水力坡降 i 成线性关系只适用于
4、层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用。,流速与水力梯度的关系砂土,砂土的水力梯度与渗流速度呈线性关系，符合达西渗透定律。,流速与水力梯度的关系粘土,对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度 ib,粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示
5、。,流速与水力梯度的关系粘土,流速与水力梯度的关系砾土,在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用。,渗透试验与渗透系数 k 的测定 渗透系数 k 是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。它只能通过试验直接测定。,室内试验,常水头试验-试验过程中水头保持不变,适用于透水能力强的砂质土,变水头试验-试验过程中水头随时间变化，适用于透水能力弱的粘性土,现场试验-适用于不易取样的土或土层,室内渗透试验-常水头试验 适用于测定透水性
6、大的砂性土的渗透系数。,室内渗透试验-变水头试验 适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。,现场试验 在现场进行渗透系数k值测定时，常用现场井孔抽水试验或井孔注水试验的方法。对于均质的粗粒土层，用现场抽水试验测出的k值往往要比室内试验更为可靠。,影响渗透系数的因素a.土的性质对 k 值的影响粒径大小与级配；孔隙比；矿物成分；结构；饱和度。尤以前两项，即粒径大小和孔隙比对k的影响最大。b.渗透水的性质对 k 值的影响 水的性质对渗透系数k值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低，k值变大：反之k值变小。,厚度等效 渗透系数等效,层状地基的等效渗透系数 大多数天然沉积土层是由渗
7、透系数不同的层土所组成，宏观上具有非均质性。,层状土层,单一土层,等效方法：等效厚度等于各土层之和。等效渗透系数的大小与水流的方向有关。,水平向渗流,水平渗流的特点：各层土中的水力坡降 i(h/L)与等效土层的平均水力坡降 i 相同。垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土 渗流量之和。,由达西定律，得沿水平方向的等效渗透系数 kx：,竖直向渗流,竖直向渗流的特点：由连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速相同。流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和。,将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：,3.3 渗透破坏与控制 水在土中渗透时,由于水具有
8、一定的流速,必然受到土颗粒的阻力作用。根据作用力与反作用力的原理,水流必然也对土颗粒有一个大小相等，方向相反的作用力。渗透力-渗流作用在单位体积土体中土颗粒上的作用力(kN/m3)，作用方向与水流方向一致。,渗透力的计算,临界水力梯度,土颗粒间的压力由于渗流力的作用而消失，土颗粒失去稳定随渗流流动，此时的水力梯度称临界水力梯度 icr。根据渗流力与临界水力梯度的概念:,渗透破坏与控制,渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：由于渗流力的作用，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；表现为流砂或管涌。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。表现为岸坡滑动或挡土墙等
9、构造物整体失稳。,渗透力作用与渗透稳定的概念,1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；2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利；3点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。,渗透破坏的类型,流土-指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逸出处。基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式。管涌-指在渗流作用下土体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。,流 土,流 土,管 涌,管 涌,整体失稳,土的类型与渗透变形型式,粘性土,无粘性土,过渡型土,只有流土而无管涌,与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关,与密度有关，大密度流土，小密度管涌,防止渗透变形的方法,减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗；在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层垂直防渗；加固土层，减小土的渗透系数。,管涌的治理,反滤倒渗,管涌的治理,蓄水反压,
