土力学--渗流
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土力学课件(3土的渗透性与渗流)详解
管内减少水量＝流经试样水量
－adh=kAh/Ldt 分离变量
积分
k＝2.3
aL
At2
t1 lg
h1 h2
k＝
aL
A t2
t1 ln
h1 h2
3、影响渗透系数的主要因素 (1)土的粒度成分
v 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，渗透系数愈大
v 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，
(2)土的密实度 土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小 土愈密实渗透系数愈小
(3)土的饱和度 土的饱和度愈低，渗透系数愈小
(4)土的结构 扰动土样与击实土样，土的渗透性比同一密度 原状土样的小
(5)水的温度(水的动力粘滞系数) 水温愈高，水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大
k20 kT T 20
(6)土的构造
T、20分别为T℃和20℃时水的动 力粘滞系数，可查表
水平方向的h>垂直方向v
n
qx q1x q2x qnx qix i1
达西定律
qx kxiH
平均渗透系数
q1x k1 qx q2x k2
q3x k3
H1 H2 H H3
n
qix k1iH 1 k 2iH 2 k n iH n
i 1
整个土层与层面平行的渗透系数
k x
1 H
n
kiH i
i1
(2)垂直渗透系数
H
隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
渗透
在水位（头）差作用下，水透过土体孔隙的现象
渗透性
土体具有被液体透过的性质
土的渗流 土的变形 土的强度
相互关联 相互影响
土力学 第2章 土的渗透性
n Vv Av 1 Av V A1 A
A > Av
v
vs
v n
Vs=q/Av V=q/A
(3)适用条件
v
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。
o
v=k i
v
v ki (a) 层流 i
(4)两种特例
密实粘性土：近似适用： v=k(i - i0 ) ( i >i0 ) i0：起始水力梯度
选取几组不同的h1和h2及对应的时间t=t2-t1，利用式(2-11)计算出相 应的渗透系数k，然后取其平均值作为该土样的渗透系数。
2. 现场井孔抽水试验
(1)室内试验的优缺点 优点：设备简单、操作方便、费用低廉。 缺点：取样和制样对土扰动、试样不一定是现场的代表性土，导致室内
测定的渗透系数难以反映现场土的实际渗透性。
☆水工建筑物防渗
一般采用“上堵下疏”原则。即上游截渗，延长渗径；下 游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形。
☆基坑开挖防渗
工程实例：
2003年7月1日，上海市轨道交通4号线发生一起管涌坍 塌事故，防汛墙塌陷、隧道结构损坏、周边地面沉降、造成 三幢建筑物严重倾斜。直接经济损失高达1.5亿人民币。
(2-34)
式中Fs为流土安全系数，通常取1.5~2.0。
பைடு நூலகம்
流土
(2)管涌(潜蚀) 定义：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。 长期管涌破坏土的结构，最终导致土体内形成贯通的渗流 管道，造成土体坍陷。
管涌(土体内部细颗粒被带走)
管涌破坏(土体坍塌)
◆判别
①土类条件
渗流力计算公式
渗流力计算公式
1. 基本概念。
- 渗流力是一种体积力，它是由于土中渗流的存在而产生的作用于土骨架上的力。
- 当水在土孔隙中流动时，会对土颗粒施加拖曳力，这个拖曳力就是渗流力。
2. 公式推导。
- 假设土样的横截面积为A，长度为L，土颗粒间的孔隙率为n，水力坡降为i，水的重度为γ_w。
- 作用在土样两端的水头差为Δ h，则水力坡降i=(Δ h)/(L)。
- 渗流速度v = ki（达西定律，k为渗透系数）。
- 单位时间内通过土样的渗流水体积Q = vA。
- 渗流水的重量G_w=γ_wQ=γ_wvA。
- 渗流力J等于渗流水的重量除以土颗粒的体积V_s。
- 因为土颗粒的体积V_s=(1 - n)AL，所以渗流力J=(γ_wvA)/((1 - n)AL)。
- 又因为v = ki，所以J=(γ_wkiA)/((1 - n)AL)=(γ_wi)/(1 - n)。
- 在一般的土力学分析中，如果忽略土颗粒的孔隙率n对渗流力计算的影响（当孔隙率较小时），渗流力J=γ_wi。
3. 公式应用。
- 在土坡稳定分析中，渗流力是一个重要的因素。
例如，当土坡中存在渗流时，渗流力会使土坡的下滑力增加，从而降低土坡的稳定性。
高等土力学-土中水及渗流计算
仁者乐山 智者乐水
1856年法国工程师达西（Darcy）提出达西定律 1889年俄国的茹可夫斯基推导了渗流的微分方程 1901年劳（Low）给出了粘土颗粒表面结合水形成
的机理
1910年理查森首先提出了有限差分法
1922年巴甫洛夫斯基提出了求解渗流场的电模拟法 20世纪60年代之后，计算渗流力学发展。非饱和土、
历史上长江干堤决口的90％由于堤基管涌所导致 98·8·1：簰州湾，管涌引起决口，44人丧生；造成
31米深冲坑
98·8·7：九江城防管涌决口，形成61米宽溃口 98·8·4：江西江新洲管涌引起溃口，淹没区4·1万
人，78km2
98长江洪水中的险情和溃口
第四章 土中水及渗流计算 4.1 导言
第四章 渗流计算 4.2 土中水形态及对土性影响-毛细现象
仁者乐山 智者乐水
毛 细 管
hc
T
hc wΒιβλιοθήκη 4Tcosd
0
4T cos
ua-uw
hc wd
d
土中毛细水
第四章 渗流计算 4.2 土中水形态及对土性影响-毛细现象
毛细力与 孔隙半径
仁者乐山 智者乐水
不同曲率半径情况下 毛细管中的水-气分 界面
当水量较小时，气水交界面位于 小孔隙处，其弯液面曲率半径较 小。随着水量增加，弯液面曲率 半径逐渐增加
第四章 渗流计算 4.2 土中水形态及对土性影响-基质吸力
仁者乐山 智者乐水
pc
pa
pw
20 rk
cos
空气 水 固体颗粒
小孔隙对应大的基质吸力 多相界面在小孔隙（曲率半径最小）
处最易达到平衡
湿润流体相和固体表面附着力最大，
通常首先占据小孔隙
高等土力学-渗流-3课时
如基坑开挖或施工围堰时的 渗水量及排水量计算，土堤 坝身、坝基土中的渗水量， 水井的供水量或排水量等
3
渗滤液排放量
尾矿污水排放
4
（2）渗透破坏问题
土中的渗流会对土颗粒施加作 用力，即渗流力（渗透力）， 当渗流力过大时就会引起土颗 粒或土体的移动，产生渗透变 形，甚至渗透破坏。
5
工程案例
2003年7月1日凌晨，建上海轨道交通4号线突发险情，造 成若干地面建筑遭到破坏，损失1.5亿元。
粘性土体往往表现出低渗透率下的非达西流特性，主要由 于粘土表面吸附着水膜，这部分流体变现为非牛顿流的特 性。这种非线性可以表述为：
v
K
(i
i0 0
)
i i
i0 i0
式中：v —渗透流速
i0 —起始水力梯度
K —渗透系数
22
一、土体的渗透特性与渗透规律
1.7 高流速下的非达西渗透定律 在砾类土或其他粗粒、巨粒土中，当流速达到某一数值后， 渗透流速与水力梯度的关系也会偏离达西定律表现出非线 性特性，可表述为：
竖井与旁通道的开挖顺序错误、冷冻设备出现故 障（冷冻法施工）、地下承压水导致喷沙
1993年8月27日23时左右，青海省共和县境内的沟后水库发 生溃坝，库内蓄水近300万立方米，冲开坝体60多米，从40 多米高处跌落，扫荡了恰卜恰河滩地区，死亡300余人
溃坝的主要原因是 面板顶端与防浪墙 底板接缝严重漏水， 使防浪墙底板与砂 卵石间产生接触冲 刷以及坝体砂卵石 产生管涌
icr
2.2 Gs
1 1
n2
d5 d20
式中：d5 、d20 —小于该粒径的土粒含量分别为5% 和20%。
35
三、饱和土体渗流场基本方程
3
渗滤液排放量
尾矿污水排放
4
（2）渗透破坏问题
土中的渗流会对土颗粒施加作 用力，即渗流力（渗透力）， 当渗流力过大时就会引起土颗 粒或土体的移动，产生渗透变 形，甚至渗透破坏。
5
工程案例
2003年7月1日凌晨，建上海轨道交通4号线突发险情，造 成若干地面建筑遭到破坏，损失1.5亿元。
粘性土体往往表现出低渗透率下的非达西流特性，主要由 于粘土表面吸附着水膜，这部分流体变现为非牛顿流的特 性。这种非线性可以表述为：
v
K
(i
i0 0
)
i i
i0 i0
式中：v —渗透流速
i0 —起始水力梯度
K —渗透系数
22
一、土体的渗透特性与渗透规律
1.7 高流速下的非达西渗透定律 在砾类土或其他粗粒、巨粒土中，当流速达到某一数值后， 渗透流速与水力梯度的关系也会偏离达西定律表现出非线 性特性，可表述为：
竖井与旁通道的开挖顺序错误、冷冻设备出现故 障（冷冻法施工）、地下承压水导致喷沙
1993年8月27日23时左右，青海省共和县境内的沟后水库发 生溃坝，库内蓄水近300万立方米，冲开坝体60多米，从40 多米高处跌落，扫荡了恰卜恰河滩地区，死亡300余人
溃坝的主要原因是 面板顶端与防浪墙 底板接缝严重漏水， 使防浪墙底板与砂 卵石间产生接触冲 刷以及坝体砂卵石 产生管涌
icr
2.2 Gs
1 1
n2
d5 d20
式中：d5 、d20 —小于该粒径的土粒含量分别为5% 和20%。
35
三、饱和土体渗流场基本方程
土力学-第三章土的渗透性及渗流
天津城市建设学院土木系岩土教研室
3.4.2 流砂或流土现象
土力学
在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群 发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。
说明：流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小，同时与土的 颗粒级配、密度及透水性等条件有关
使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr
常用的有现场井孔抽水试验或井孔注水试验。 对于均质粗粒土层，现场测出的k值比室内试验得出的值要准确
观测孔 r2
Q
r r1
r处过水断面积为A=2πrh,假设该处
水力梯度i为常数，且等于地下水位
在该处的坡度时，i=dh/则dr
q=kAi=2πrhkdh/dr
dr
qdr/r=2πkhdh
d
分离变量积分
h
h h1
k3
q3y H3
总水头损失等于各层水头损失之和 Hi H1i1 H 2i2 H ni n
代入
垂直渗 透系数
ky
1 H
(i1H1
i2H2
inHn )
k1i1
k2i2
knin
整个土层与层面垂 直的平均渗透系数
k y
H1
H H2
Hn
H n ( Hi )
k1 k2
kn
k i1 iy
天津城市建设学院土木系岩土教研室
土力学
渗透系数k既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。测定方法有：室内和现场
1.室内渗透试验测定渗透系数 （1）常水头试验————整个试 验过程中水头保持不变
适用于透水性大（k>10-3cm/s） 的土，例如砂土。
时间t内流出的水量 Q qt kiAt k h At L
土力学地基基础课件第三章渗流固结理论
渗流固结理论的重要性
渗流固结理论在土木工程、水利工程 、地质工程等领域具有广泛的应用价 值。
它对于理解土体的力学行为、预测土 体的变形和稳定性、优化工程设计和 施工具有重要意义。
渗流固结理论的应用领域
01
02
03
水利工程
水库、堤防、水电站等水 利设施的设计和安全评估。
土木工程
高层建筑、高速公路、桥 梁等基础设施的建设和安 全评估。
渗透试验
通过测量土体的渗透系数、 渗透速度等参数，研究土 体的渗透特性。
现场试验方法
现场观测
通过在土体中埋设传感器和监测 仪器，实时监测土体的渗流和固
结过程。
触探试验
通过触探设备对土体进行触探，测 量土体的物理性质和强度特性。
旁压试验
通过旁压设备对土体施加压力，测 量土体的变形和强度特性。
数值模拟方法
三维固结理论通过求解偏微分方程组， 得到土体在固结过程中任意时刻的孔隙
水压力分布、土层沉降和位移场。
04
渗流固结理论的实验研究
室内试验方法
室内模型试验
通过模拟实际土体中的渗 流和固结过程，研究土体 的变形和强度特性。
土工离心机试验
利用离心加速度模拟土体 应力状态，研究土体在复 杂应力状态下的渗流和固 结行为。
06
结论
渗流固结理论的发展趋势
数值模拟与实验研究的结 合
随着计算机技术的进步，数值 模拟方法在渗流固结理论的研 究中越来越受到重视。通过与 实验研究相结合，可以更准确 地模拟复杂条件下的土体渗流 和固结过程。
多场耦合分析
考虑土体的应力、应变、渗流 和温度等多场耦合效应，对土 体的复杂行为进行更全面的分 析。
渗流固结理论可以用于分析地 下水的流动规律和土体的渗透 性能，为地下水控制提供理论 支持。
土力学-土渗透和渗流
土 样 内 对 水 流 的 阻 力 : J ' = j ' L A = - J
（3）渗透力的计算 考虑下图的平衡条件得：
w h w A L A w j'L A w h 1 A
j' w(h1hwL)
L
w
h L
wi
j j' wi
由上式可知：渗透力是一种体积力（而不是面 力），其量纲与rw相同 渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流 方向一致。 （4）临界水力梯度
Bernoulli’s Equation
z位能水头;u静水压力;w水重度;h-总水头
不 计 流 速 的 影 响 : h z u w
hA HAZA
HA uA /w
hB HBZB
HB uB /w
hhA hB
水力梯度i:
单位长度总水头 的变化
i h L
二、达西渗流定律：
1856年法国学者Darcy根据试验结果建立下式
v ki
v—渗流速度（宏观平均值）
k—渗透系数 q v A
q—单位时间流过截面A的水量（平均流量） A—垂直于渗流方向土的截面面积
Q—总流量（通过确定面积A） t —渗流时间
Q qt
渗透系数k的确定方法
实
验
方
法
室内试验方法定水头试验-适用于中.粗砂
变 水 头 试 验 - 适 用 于 粘 土 . 细 粒 土
2、土骨架与孔隙水分开考虑（见图3.8等号右端）
（1）土骨架反力 土 粒 有 效 重 量 ：
w’=r’·L·A 向下的总渗透力：
J=j·L·A 滤网向上的支承力：
P
（2）孔隙水的受力 ● 孔隙水重量+土
（3）渗透力的计算 考虑下图的平衡条件得：
w h w A L A w j'L A w h 1 A
j' w(h1hwL)
L
w
h L
wi
j j' wi
由上式可知：渗透力是一种体积力（而不是面 力），其量纲与rw相同 渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流 方向一致。 （4）临界水力梯度
Bernoulli’s Equation
z位能水头;u静水压力;w水重度;h-总水头
不 计 流 速 的 影 响 : h z u w
hA HAZA
HA uA /w
hB HBZB
HB uB /w
hhA hB
水力梯度i:
单位长度总水头 的变化
i h L
二、达西渗流定律：
1856年法国学者Darcy根据试验结果建立下式
v ki
v—渗流速度（宏观平均值）
k—渗透系数 q v A
q—单位时间流过截面A的水量（平均流量） A—垂直于渗流方向土的截面面积
Q—总流量（通过确定面积A） t —渗流时间
Q qt
渗透系数k的确定方法
实
验
方
法
室内试验方法定水头试验-适用于中.粗砂
变 水 头 试 验 - 适 用 于 粘 土 . 细 粒 土
2、土骨架与孔隙水分开考虑（见图3.8等号右端）
（1）土骨架反力 土 粒 有 效 重 量 ：
w’=r’·L·A 向下的总渗透力：
J=j·L·A 滤网向上的支承力：
P
（2）孔隙水的受力 ● 孔隙水重量+土
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11
二.渗透变形（渗透破坏）
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏 基本类型
流土 管涌
形成条件
防治措施
12
二.渗透变形（渗透破坏） 1. 基本类型
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
坝体 粘性土k1<<k2 渗流 砂性土k2
原因：
W J 0
icr
i i cr
13
Gs 1 — —和土的密实程度有关 1 e
管涌
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。 管涌
原因：
内因—— 有足够多的粗颗粒形 成大于细粒径的孔隙通道
管涌破坏
外因——渗透力足够大
14
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
渗水压力
渗流量
基坑
透水层 不透水层
渗透变形
4
水井渗流
Q
天然水面
透水层
渗流量
不透水层
5
渠道渗流
渗流量
渗流时地下水位
原地下水位
6
渗流滑坡
渗流滑坡
7
土的渗透性及渗透规律
渗流 量 扬压
力 渗水压 力 渗透变 形 渗流滑 坡 土坡稳定分析
二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨地区边坡
历时 后果
导致结构发生塌陷或溃口
15
2.形成条件
流土 土体处于稳定状态
无压重时： i < icr : i > icr : i = icr : 经验判断：
土体发生流土破坏
土体处于临界状态
i cr i i Fs
[ i ] : 允许坡降 Fs: 安全系数1.5～2.0
16
3. 防治措施
防渗斜墙及铺盖
流土与管涌的比较
流土
现象 位置 土类 土体局部范围的颗粒同时发 生移动
管涌
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
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
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
8
2.1土的渗透性与渗透规律
达西定律
渗透定 律
k: 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i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day 在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。 注意： v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
土的渗透性和渗流问题
概述
碎散性 多孔介质 能量差
土颗粒 渗流
三相体系
孔隙流体流动
土中水
水、气等在土体孔隙中流动的现象 土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性 渗透特性 强度特性 变形特性
非饱和土的渗透性
饱和土的渗透性
概述
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
渗流量
透水层
不透水层
渗透变形
土石坝
浸润线
透水层 不透水层 防治流土
i i i cr Fs
防治管涌 改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降
17
减小i ：上游延长渗径； 下游减小水压 增大[i]：下游增加透水盖重
vi
v k i
A
vs：实际平均渗流ຫໍສະໝຸດ 度，孔隙断面的平均渗流速度Av n A
A > Av Av Q＝vA ＝ vsAv
v v vs n
1. 测定方法
室内试验测定方法
常水头试验法 变水头试验法
野外试验测定方法
井孔抽水试验 井孔注水试验
一. 渗透力
渗透力的性质
物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力 大小： j = γwi 方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致） 作用对象：土骨架