最新土的渗透性及渗透力
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土力学第三章土的渗透性
土体的临界状 态-2
• 土体中的有效应力： 当土体处于临界状态时，渗流方向从下往上，这时，渗透 力等于土样的浮容重，土体中的有效应力为：
=h2-h
=h2-h/i=h2-h/i=h2-h2=0
说明： 有效应力为0，表明土颗粒间不存在接触应力，在渗流作用 下，试样处于即将被浮动的临界状态。 所以，土体的渗透变形取决于土的浮容重与向上的渗透力的 大小。
vk(iib)
粘性土的渗透性：
相同水力坡降条件下，水在 砂土中可以流动，
而在粘性土中只有水力坡降 大于起始水力坡降时才流动
起始水力坡降ib：
由于粘性土的颗粒之间存在连接 力所致。
渗透系数的测 定
试验方法：
常水头试验：
常水头试验、变水头 试验
k
QL
Aht
在试验过程中水头始终 保持不变，适用于粗粒 土。
有效应力和孔 隙水压力
• 外荷载分担： 外加荷载作用在土体上，一部分由土颗粒承担，一部分由孔 隙水承担，一部分由孔隙气体承担。 对于饱和土，外加荷载只由土颗粒和水承担。
• 总应力： 指外荷载作用在土体上的总的应力。
• 有效应力： 指土体中的土颗粒所承担的外荷载部分所产生的应力。
• 孔隙水压力： 指土体中的水所承担的外荷载部分所产生的应力。
成正比；
渗透力的方向与渗 流方向一致；
3
当渗流方向与土体的重力
方向相反时，渗流的运动 5
对土体的稳定有影响。
2
单位体积渗透力是 一的重心处。
渗透变形
• 渗透变形：指渗透水流导致土体发生变形或破坏的现象。 • 渗透变形的形式： 流土、管涌 • 流土：
指粘性土或非粘性土在渗透水流作用下，土中某一部分 土体同时发生移动的现象，发生于渗流出逸处。 • 管涌： 非粘性土在渗透水流作用下，土中细小颗粒沿着粗大颗 粒间的孔 隙被带出到土体外面的现象，发生于土体内 部或渗流出逸处。
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
土的渗透性及水的渗流
m
kjH j
j 1
三、渗透系数的室内测定
渗透系数不能用理论方法求得，只能通过试验确定。
测定k值室内方法：定水头法、变水头法。
（1）定水头法
保持总水头差Δh不变，在t时间内，量得透过土样的
水量为Q，求k：
注水
根据达西定律
v Q ki k h
t.A
L
k QL A t h
L
h
适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂
uA
i h L
△h代表单位重量液体从A点向B点流动时， 为克服阻力而损失的能量。
水力梯度:
水力坡降i 的物理意义为单位渗流长度上的 水力损失。
L为A、B两点间的渗流途径。
2024/11/15
例2-1 如图，求
一．a-a、b-b、c-c静水头 和总水头。
二．a-a至c-c,a-a至b-b,bb至c-c的水头损失；
例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后， 实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关 物理力学性质指标如下：
sat 18.7kn / m3
k 4.5102 m m/ s
试求渗透水流的平均速度和 动水力(渗透力)，并判断是 否会产生流砂现象？
5.5m
细砂层
分析：1 v ki
v—断面平均渗透速度， 单位m/s或m/d； k—土的渗透系数 单位同v.
流速与水力梯度的 关系－砂土 砂土的水力梯度与 渗透速度呈线性关 系，符合达西渗透 定律。
适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土， 很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。
单位时间流过土截面A的水量q
流速与水力梯度的关系－粘土
则渗透系数k:
2.3 q lg( r2 )
土的物理性质及渗透性(新版) PPT课件
风化、搬运、沉积
岩石
地质成岩作用
土
土 的 形 成
工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性
物理风化
• 岩石和土的粗颗粒受各种气 候等物理因素的影响产生胀
化学风化
缩而发生裂缝,或在运动过 程中因碰撞和摩擦而破碎
• 是颗粒大小发生量的变化
生物活动
• 矿物成分与母岩相同，称原 生矿物
• 产生无粘性土
巨粒 粗粒
砾石
粗 中20 50.75细粒砂粒细 粗 中 细
d
(mm) 60
粉粒
粘粒 0.005
胶粒 0.002
2
0.5 0.25
0.075
粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。 细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。
固体颗粒 - 颗粒大小
工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性
小于某粒径之土质量百分数（％）
曲率系数举例
Cc=13, 级配连 续 缺少小颗粒，Cc 缺少大颗粒，Cc
粒径(mm)
曲线 d60
L M R
工程地质及土力学 第四章 土的物理性质及渗透性
d10
d30
Cu
66
0.33
0.081 0.005 0.063 0.030
0.01 0.005
Cc
3.98 2.41 0.545
筛余
孔径
10
小于某粒径之土质量百分数P（％）
200g 土 0
10
P 100 95 87 78
5.0
2.0 1.0 0.5 0.25
16
18 24 22 38
66
55 36
筛 分 法
土力学土的渗透性与渗透问题
一、渗透力和临界水力坡降
沿水流方向放置两个测压 管，测压管水面高差h 土样 土粒对水流 面积 的阻力应为
F w hA
1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力
h
1 h1 2 h2
L
水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h
根据牛顿第三定律，试样的 总渗流力J和土粒对水流的阻 力F大小相等，方向相反
在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数 Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安 全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内
icr i [i ] Fs
二、渗透变形
渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象
h1=160cm，h2=52cm，△t=900s 试样在30℃时的渗透系数
k 30 2.3 h aL 0.1256 4 160 lg 1 2.3 lg 2.09 105 cm/s At 2 t1 h2 30 900 52
选讲例题1
§3
渗透力与渗透变形
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
1998年8月7日13:10 发生管涌险情，很快 形成宽62m的溃口
原因
堤基管涌
焦点词汇：豆腐渣工程
九江大堤决口
土石坝坝基坝身渗流破坏实例 位于青海省，高71 米，长265米，建
于1989年。
1993年8月7日突然 发生溃坝，是现代
碾压堆石坝垮坝的 先例。
溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
土力学课件 2.土的渗透性与渗透问题
2.1 土的渗透定律渗定律2.2 渗透系数及其测定22渗透系数及其测定2.3 渗透力与渗透变形土的渗透问题概述浸润线上游土坝蓄水后水透过下游坝身流向下游流线等势线H隧道开挖时，地下水向隧道内流动水在土孔隙通道中流动的现象叫做水的；土可以被水透过的性质水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；土可以被水透过的性质，称为土的渗透性或透水性。
212.1土的渗透定律一、土中渗流的总水头差和水力梯度、土中渗流的总水头差和水力梯度vw h h z h ++=伯努利方程v u AA2gz h w A 21++=γv2gu z h Bw BB 22++=γhh h Δ=−21h ΔLi =达定律二、达西定律1856年法国学者Darcy 对砂土的渗透性进行研究qv A=v=ki达西定律'v A ==vq vA'A v v v ==v A n三达西定律适用范围与起始水力坡降三、达西定律适用范围与起始水力坡降讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系v=ki v密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发0生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系i砂土v虚直线简化达西定律适用于层−=i b流，不适用于紊流i密实粘土)(b i i k v 起始水力坡降2.2 渗透系数及其测定一、渗透试验（室内）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）的土适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。
Athk kiAt qt 时间t内流出的水量LQ ===QL hAtk=2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差，渗透系数小的截面面积a任一时刻t 的水头差为h ，经时段后细玻璃管中水位降落粘性土dt 后，细玻璃管中水位降落dh ，在时段dt 内流经试样的水量=－dQ adh在时段dt 内流经试样的水量dQ =kiAdt =kAh/Ldt1h aL＝管内减少水量＝流经试样水量()212lnh t t A k −dh 积－adh=kAh/Ldt分离变量dtaL kA h=−分二、渗透试验（原位）在现场打口试验井并安装z 在现场打一口试验井，并安装好抽水机具z 距井中心r 1、r 2处打两个观测水位的观测孔z 在井内不断抽水，并观测另两个观测孔的水位高度h 1、h 2，同时记录单位时间内的排水量2r )()ln(21221h h r q k −=π假定z 水沿水平方向流向抽水孔rh A π2=z 过水断面积上各点i 相等drdh i =dhdrdrrhkrhv Av q ππ22===khdh r q π2=22dr h r =)(ln 22122211h h k r q hdh k r q h r −=∫∫ππ1r 2ln r q ⎟⎟⎞⎜⎜⎛()21221h h r k −⎠⎝=π三影响渗透系数的因数三、影响渗透系数的因数z 土颗粒的粒径、级配和矿物成分z 土的孔隙比或孔隙率z 土的结构和构造z 土的饱和度z 水的动力粘滞度动力粘滞系数随水温发生明显的变化。
土的渗透性和渗透变形
土的渗透性和渗透变形
目录
• 土的渗透性 • 渗透变形 • 渗透变形的防治 • 渗透变形的影响 • 案例分析
01 土的渗透性
定义与特性
定义
土的渗透性是指水在压力差的作用下 通过土体的能力，是描述土体透水性 能的指标。
特性
与土的颗粒大小、形状、排列、孔隙 大小和连通性等因素有关。
影响渗透性的因素
生态平衡
土的渗透变形可能影响土壤中的微生物和植物生长， 破坏生态平衡。
对人类生活的影响
居住安全
土的渗透变形可能影响居民住宅的安全，如地基下沉、房屋开裂 等，影响居住质量。
公共安全
在公共设施中，如学校、医院等，土的渗透变形可能对人员安全 造成威胁。
经济影响
土的渗透变形可能对建筑、道路、水利等基础设施造成严重破坏， 导致巨大的经济损失。
粘土心墙
在土体中建造混凝土防渗墙，以阻止 水分渗透。
在土体中建造粘土心墙，以增加土体 的不透水性。
帷幕灌浆
通过向土体中注入水泥浆，形成一道 阻水帷幕。
排水措施
排水沟
在土体周围设置排水沟，以引导 水分流出。
排水井
在土体中设置排水井，以降低地下 水位。
排水垫层
在土体底部设置排水垫层，以排出 水分。
改变边界条件
某矿山的渗透变形问题
总结词
矿山开采过程中，由于地下水位的下降 和采空区的形成，容易导致矿山发生渗 透变形问题，如地面塌陷、裂缝等。
VS
详细描述
在矿山开采过程中，随着地下水位的下降 和采空区的形成，矿山周围的岩土体受到 较大的应力作用。当应力超过岩土体的抗 剪强度时，容易出现地面塌陷、裂缝等问 题。这些问题不仅会影响矿山的生产安全 ，还可能对周边地区的生态环境和居民安 全造成威胁。
目录
• 土的渗透性 • 渗透变形 • 渗透变形的防治 • 渗透变形的影响 • 案例分析
01 土的渗透性
定义与特性
定义
土的渗透性是指水在压力差的作用下 通过土体的能力，是描述土体透水性 能的指标。
特性
与土的颗粒大小、形状、排列、孔隙 大小和连通性等因素有关。
影响渗透性的因素
生态平衡
土的渗透变形可能影响土壤中的微生物和植物生长， 破坏生态平衡。
对人类生活的影响
居住安全
土的渗透变形可能影响居民住宅的安全，如地基下沉、房屋开裂 等，影响居住质量。
公共安全
在公共设施中，如学校、医院等，土的渗透变形可能对人员安全 造成威胁。
经济影响
土的渗透变形可能对建筑、道路、水利等基础设施造成严重破坏， 导致巨大的经济损失。
粘土心墙
在土体中建造混凝土防渗墙，以阻止 水分渗透。
在土体中建造粘土心墙，以增加土体 的不透水性。
帷幕灌浆
通过向土体中注入水泥浆，形成一道 阻水帷幕。
排水措施
排水沟
在土体周围设置排水沟，以引导 水分流出。
排水井
在土体中设置排水井，以降低地下 水位。
排水垫层
在土体底部设置排水垫层，以排出 水分。
改变边界条件
某矿山的渗透变形问题
总结词
矿山开采过程中，由于地下水位的下降 和采空区的形成，容易导致矿山发生渗 透变形问题，如地面塌陷、裂缝等。
VS
详细描述
在矿山开采过程中，随着地下水位的下降 和采空区的形成，矿山周围的岩土体受到 较大的应力作用。当应力超过岩土体的抗 剪强度时，容易出现地面塌陷、裂缝等问 题。这些问题不仅会影响矿山的生产安全 ，还可能对周边地区的生态环境和居民安 全造成威胁。
土的渗透性及渗透稳定确定
§2-2 达西定律及其适用范围
可以用粒径来描述Darcy定律的范围
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
两种特例
上限：粗粒土 v>vcr
①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
下限：粘性土
致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )
2.毛细网状水带
位于毛细水带的中部
3.毛细悬挂水
位于毛细水带的上部
土中毛细现象
第二章 土的渗透性及渗透稳定 §2-1 土的毛细性
二、毛细压力
毛细压力：土粒接触面上存在毛 细水，由于土粒表面的润湿作用，使 毛细水形成弯面。在水和空气的分界 面上产生表面张力是沿弯液面切线方 向作用，它促使土粒互相靠拢，在土 粒接触面上产生压力，称为毛细压力
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
第二章 土的渗透性及渗透稳定
渗流滑坡
渗流滑坡
第二章 土的渗透性及渗透稳定
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土
透水性较小的粘性土
2.室内试验方法2—变水头试验法
(k 10 3cm / s)
试验装置：如图 试验条件: Δh变化，A，L=const 量测变量: Δh ，t
第二章 土的渗透性及渗透稳定 一.渗透试验简介
§2-3 渗透系数及其确定方法
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渗流力
渗流变形
____________________________
10
______________________
在稳定渗流情况下，饱和土体中的土骨架应力和孔隙水应 力与静水条件中的不同
1. 试验装置：可产生垂直渗 流的试验装置，如图所示。
2. 试验假设
土是均匀的，土中的渗流 不论向上还是向下，土中 的水头损失沿渗流方向都 是均匀变化的，即假设渗 流引起的应力改变量沿渗 流方向是直线变化的。
4
______________________
层流状态下土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律
－－达西定律（1896年）
大量试验结果，发现土中单位时间渗流量q 与土样断面积A及试样两端面的水头差i成 正比，而与流过的土样长度L成反比，即
q k Ah k Ai L
则
v q k h k i
无粘性土 发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：
土的孔隙平均直径 D0 0.25 d20
形成条件
i < icr : 土体处于稳定状态 i > icr : 土体发生流土破坏 i = icr : 土体处于临界状态
经验判断：
i i icr
Fs
[ i ] : 允许坡降
Fs: 安全系数2.0～2.5
____________________________
15
______________________
7
______________________
1.变水头试验
适用范围：渗透性很小的粘性土。 试验装置：如图示 试验特点：
试样顶部水头随时间变化，作用 于试样两端的水头差h在试验过程 中是变化的。
k
aL ln
h1
At h2
自学推导过程
____________________________
8
______________________
（2）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 成大于细粒直径的孔隙
管涌破坏
外因—渗流力足够大
____________________________
16
______________________
（1）采用了以整个断面计算的假想平均流速，而不是孔隙流体的实际流 速。实际流速要比平均流速大。
（2）采用了以土样长度为渗径的平均水力梯度，而不是渗透水流的真正 水力梯度。
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度
____________________________
6
______________________
单位渗流力 j ： wi
____________________________
12
______________________
3.3.2 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
____________________________
13
______________________
（1）流土（流砂）
－－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 体 粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因：
'('j)z j ' 或 wi '
icr
Gs 1———和土的密实程度有 1e
____________________________
14
______________________
A
L
达西定律
渗透系数的物理意义——单位水力梯度时孔隙流体的渗流速度。 反映土体渗透性的大小，是土的重要指标之一。可通过试验测定。
____________________________
5
______________________
适用条件： 大部分砂土，粉土；
达西定律的基本假定： 疏松的粘土及砂性较重的粘性土
h1 h
h2
不透水层 （完整井）
____________________________
9
______________________
3.3 渗透力及渗透破坏
3.3.1 渗流力（动水力）
定义：当土中发生向下或向上的渗流时， 渗透水流作用在土颗粒上的与渗流方向相 同的体积力，使土骨架应力相应地增加或 减小，此体积力称为渗流力，用J表示。
土的渗流试验简图
____________________________
11
______________________
单位渗流力：每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力,
用j表示，单位为kN/m3
当h1=h2时，无渗流发生 当h1>h2时，向上渗流 当h1<h2时，向下渗流
饱和土体中渗流力计算
B ' ('Lw h)L z(' w i)z('j)z
3 土的渗透性及渗透力
____________________________
1
______________________
目录
3.1 土的渗透性及渗透定理 3.2 渗透系数的测定 3.3 渗透力及渗透破坏 3.4 有效应力原理及计算
____________________________
2
______________________
3.2.2 现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
qAki 2rhkdh
A=2πdrhr q
i=dh/dr dr
2khdh
r
ql
nr2 r1
k(h22
h12)
k
q
ln(r2 / r1) h22 h12
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
抽水量Q 井
观察井
r2 r r1
dr dh
3.1 土的渗透性及渗透定理
3.1.1 土的渗透性
——土可以被水透过的性质称为渗透性。
渗 流 滑 坡
____________________________
3
______________________
3.1.2 土的渗透定理
层流：水在土的细微孔隙中的缓慢流动称为层流。
渗透模型
____________________________
3.2 渗透系数的测定
3.2.1 室内渗透试验
1.常水头如图示
试验特点：
水在常水头差h的作用下流过试样
试验方法：
测量对应于某一时段t，流经试样的水量
Q Q=vAt
v=ki i=h/L
k QL Aht
____________________________