土的渗透性及渗透力

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
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（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 '
渗透模型
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
h kAi L q h v k ki A L q kA
则
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。
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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。
aL h1 k ln At h2
自学推导过程
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3.2.2
A=2πrh
现场渗透试验（抽水试验和注水试验）
dh dr
抽水量Q 观察井
q Aki 2rh k
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（2）水自上而下渗流 （当h2 ＜ h1时，h2 =h1 - h，即向下渗流）
w h0 sat L w h1 ' L b b面： u w h2 w (h1 h) u 0 w h ' ' u h ' L ( h h ) ' L h w 1 w 1 w 0 wh
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 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
破坏过程短
导致下游坡面产生局部滑动等
导致结构发生塌陷或溃口
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3.4
有效应力原理及计算
3.4.1 有效应力的基本概念
粒间应力（interparticle stress） ——由土骨架颗粒间接触点传递的应力。 有效应力（effective stress） ——对土体的变形和强度变化有效的粒间应力。 孔隙水压力（pore water pressure） ——由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体的变形和强度变化， 又称为中性应力。它不随时间而变化。 超静孔隙水压力（excess pore water pressure） ——由外荷载引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。
透水层
不透水层
防 治 管 涌
改善几何条件：设反滤层等， 反滤层为级配较均匀的砂子和砾 石层，能保护细颗粒不被带走， 同时也具有较大的透水性 改善水力条件：减小渗透坡降
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流土与管涌的比较
流土
现象 位置 土类 历 时 后果 土体局部范围的颗粒同时发 生移动 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
dr i=dh/dr q 2khdh r
q ln
r2 k ( h22 h12 ) r1 q ln(r2 / r1 ) k h22 h12
r1
r
r2 dr h
井
dh h1
h2
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 不透水层 （完整井）
9
3.3
3.3.1
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A： 土单元的断面积
3.4.2 有效应力原理
1、饱和土中的应力形状
a-a断面竖向力平衡：
As： 颗粒接触点的面积 Aw： 孔隙水的断面积 a-a断面通过 a 土颗粒的接 触点
A AS A w
A
A Psv uA w
Psv A w u A A
a
a
有效应力σ’
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结
论：
土中发生向上的渗流时，由于孔 隙水向上渗流，并且作用在土颗
粒上一个向上的体积力，使得土
骨架应力降低，而该体积力反作 用于孔隙水上，使孔隙水应力增 加，增加和减小的数值相等，均 为γwh。
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小结

渗透定理（达西定律）
土的渗透

渗透力计算 渗透变形类型、形成条件、防止措施

基本概念
有效应力原理
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 3.4 渗透力及渗透破坏 有效应力原理及计算
2
3.1
3.1.1
土的渗透性及渗透定理
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。
w h0 sat L w h1 ' L b b面 : u w h2 w (h1 h) u0 w h ' ' u w h1 ' L w (h1 h) ' L w h 0 w h
渗透力及渗透破坏
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。
渗流力
渗流变形
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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。 土的渗流试验简图
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（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
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无粘性土
发生管涌的判别标准为（内因——颗粒几何条件）：
A. Cu 10的比较均匀的土 B. Cu 10的不均匀土 (a) 级配不连续的土 细料含量 35% 细料含量 25% 细料含量 25 — 35% (b) 级配连续的土 D0 d 3 D0 d 5 D0 d 3 — d 5 非管涌土 管涌土 过渡型土
地下水位下降会引起 σ’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。
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海洋土
H1
γ wH1
γ wH1
H
sat
H2
σ’=σ-u =γwH1+γsatH2-γwH =γsatH2-γw(H-H1) =(γsat-γw)H2 =γ’H2
w H1 satH 2
wH
饱和土中孔隙水压力 和有效应力的计算

31
32
Aw 1 A
u：孔隙 水压力
P
S
PSV
'u
P
S
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2、饱和土中的有效应力原理
（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’ 和u，并且
'u
一般地， 通常,
u
总应力已知或易知 孔隙水压测定或算定
'u
有效应力
（2）土的变形与强度都只取决于有效应力
水力坡降 破坏坡降icr
允许坡降[i]
级配连续土 0.2—0.4
0.15—0.25
级配不连续土 0.1—0.3
0.1—0.2
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防治措施
i h 防 i i cr L Fs 治 流 减小i ：上游延长渗径 土 下游减小水压
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
增大[i]：下游增加透水盖重
无粘性土
中砂、细砂、粉砂
粘土
起始水力梯度
6
3.2
3.2.1


渗透系数的测定
室内渗透试验
1.常水头试验
适用范围：透水性强的无粘性土 试验装置：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
QL k Aht
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3.4.3 稳定渗流下的土中有效应力的计算
1、静水条件下
地下水位
σ’=σ-u =γH1+γsatH2-γwH2 =γH1+(γsat-γw)H2 =γH1+γ’H2 地下水位下降引起 σ’ 增大的部分

H1
sat H2
σ’=σ u=γwH2 -u H H
1 sat 2
u=γwH2
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非管涌土
土的孔隙平均直径 D0 0.25d 20
非管涌土 管涌土 过渡型土
d20——小于该粒 径的土质量占总 质量的20%
发生管涌的水力条件——外因
试验测定方法： 改变试样底部的水头高度。 现象:试样中细小土粒移动。 b图中： 从C点开始，水力梯度稍有 增加，渗流速度就会急剧加 大，说明试样中发生了管 涌 。
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
（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。