第2章土的渗透性

管涌可以发生在土体的所有部位。首先细颗粒在粗颗粒的孔隙 中移动，随着土中孔隙的逐渐扩大，渗流速度不断增大，较粗的颗 粒也被水流逐渐冲走，最后导致土体内部形成贯通的渗流通道，酿 成溃堤的严重后果。
管涌
发生管涌时的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有 关，但至今管涌的临界水力坡降尚无成熟的计算公式可循。对于重 要的工程，须通过渗透破坏试验确定，
在图2-3中，作用于土柱中水体上的力有： ①截面1上的总水压力 P1= γ ω h1 ，其方向与渗流方向一致； ②截面2上的总水压力P 2= ωh2 ，其方向与渗流方向相 反； ③土柱中的土颗粒对渗流的总阻力 ，其大小应和总渗透 力 J相等，即 F= J= jLA，方向与渗流方向相反。 根据渗流方向力的平衡条件得： J= P1－P 2 则渗透力 j = γw i
=
2.3 4.73102 60 lg π(7.132 - 5.722 ) 15
不透水层 =11.5（m/d）
1.93m
0.52m
2.1.4 影响土的渗透性因素 1. 土粒度级配和矿物成分 土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及形状，因而 影响土的渗透性。土粒越粗、越浑圆、越均匀时，土的渗透性就越 大。 2. 孔隙比 孔隙比 越小，土的密实度越大，土的渗透性随之减小。 3. 土的结构构造 天然土层通常是各向异性的，土壤在不同方向渗透性差别很大。 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。
渗透系数是指水头梯度为l时的渗透速度，渗透系数是用来表示岩土渗 透性大小的指标。渗透系数除用于计算渗透流量、渗透变形外，还可作为选 择填土材料的依据。 渗透系数大小与土壤及水的性质有关，一般通过试验来测定。在无实测 资料时，可参考经验值选用。表2-1 各种土渗透系数的参考值
土的名称 卵 石 砾 石 粗 砂 中 砂 细 砂 粉 砂 粉 土 粉质黏土 黏 土
0.5
水力坡降
0.4
A
0.3 0.2 0.1
i~v
0
0.1
0.2 0.3
0.4
0.5
0.6
渗流速度
图2-13 关系曲线
无黏性土发生管涌的临界水力坡降，可按经验公式计算：
4 2d 3 k n3 式中： d3——小于该粒径颗粒含量为3%所对应粒径（cm）； n——孔隙率； k——渗透系数（cm/s）。 icr =
v
i
若以渗透流量表示时则有
q i A
土的渗透速度是指在一定的水力坡降下，单位时间内透过垂直于 渗流方向的单位横截面面积土体的渗流量。
h 砂 土 h1 o 1 L 2 h2 o
图2-3 达西渗透试验
2.1.2 达西定律适用范围 达西定律是适用于层流。
对于砂性较重及密实度较低的粘土，其渗透规律与达西定律相符。
60m
解：两个观测井的水位分别为： r1＝15m处， h1=10-2.35-1.93=5.72（m）； r1＝60m处，h2 =10-2.35-0.52=7.13（m）。 由式（2-6）求得渗透系数：
原地下水位
抽水q
2.35m
15m
10m
抽水后地下水位
2.3Q r2 k lg 2 2 π(h2 - h1 ) r1
浮在土体表面，当渗透力继续增加，则土体失去稳定，一定范 围的土体同时浮起被带走的现象称为流砂（流土）现象。临界 状态时的水头梯度称为临界水头梯度 ，
icr
γ′ = γw
d s -1 = 1 +e
γ sat -1 = γw
在渗流作用下，局部土体表面隆起、顶穿 或粗细颗粒同时浮动而流失的现象。
流土往往发生在渗流的逸出处，可以用渗流逸出处的 水力坡降i 与其临界水力坡降 icr比较，判别流土发生的可 能性。 若 i＜ icr ，则土体处于稳定状态； 若 i＝ icr ，则土体处于临界状态； 若 i＞i cr ，则土体发生流土。 在设计中，为确保建筑物的安全，所以常将临界水力 坡降除以安全系数作为允许水力坡降 ，设计中将逸出处 的水力坡降 控制在允许水力坡降 之内，即要求： i≤ [i] ＝i cr/ k k=2.0-2.5
第2章 土的渗透性 本章教学要求： 1、掌握达西定律的物理意义和渗透 系数的确定方法 2、渗透力和临界水力坡降的概念， 掌握确定方法。 3、了解管涌、流土的物理现象及其 产生原因 4、了解渗透变形的防治
2.1达西定律及适用范围
2.1.1渗流的概念
土中的重力水及外部水在重力作用下可以穿过土的孔隙发生运 动。当水闸和土坝挡水后，高水位的水就会通过坝体和坝基向低水位 处渗流。 水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生缓慢流动的现象称为水 的渗透。土体被水透过的难易程度称为土的渗透性。
图2-1 水在土孔隙中的运动轨迹
图2-2 理想化的渗流模型
2、达西定律 1856年法国学者达西(H.Darcy)根据均质砂实验提出，在层流状态 下，土中水的渗透速度与水位差成正比，与渗流长度成反比。引 入比例系数则有
h v L
k为土的渗透系数（cm／s）； h 若令i ，并定义i为水力坡降（水力梯度）。 ，则达西定律 L 可表示为：
流土发生时，局部土体隆起、浮动，颗粒群同时发生移动而流失。 流土一般发生在无保护的渗流出口处，而不发生在土体内部。开挖 基坑或渠道时出现的所谓“流砂”现象，就是流土的常见形式。
倾斜后
水位
河堤 黏土层
冲溃口
抽水 集水坑 板桩
裂缝
砂层
流向
黏土层 砂土层 黏土层
2、管涌
管涌是指在土体中的细颗粒在渗流作用下从 骨架孔隙通道流失的现象。
2.3Q r2 k lg 2 2 π(h2 - h1 ) r1
图2-7 潜水井的抽水试验
例2-1 如图2-8所示，在现场进行抽水试验测定砂土的渗透系数。抽水井 穿过10m厚砂土层进入不透水层，在距井管中心15m及60m处设置观测 孔。已知抽水前静止地下水位在地面下2.35m处，抽水后待渗流稳定时， 从抽水并测得流量 ＝4.73×102m3／d，同时从两个观测井得到水位分别 下降了1.93m及0.52m，求砂土层的渗透系数。

在水利工程中，水的渗透会引起两方面的问题：
一是渗漏问题；二是渗透稳定性问题。
在建筑工程中，深基坑开挖中的边坡及地基的稳
定性、降水设计和外力作用下饱和土的固结等都 和土的渗透问题有关。
2.1.2 土的渗透性及达西定律

地下水按流线形态划分的流动状态有层流和紊流
两种状态。 若水流流动过程中每一水质点都沿一固定的途径流动，
措施：（1）井点降水法。 （2）设置板桩，可增长渗透路径，减少水力坡降。 （3）采用水下挖掘,减少水头差，降低水力梯度，也可避 免发生渗透变形破坏。
原水位线 一级抽水后水位
二级抽水后水位
钢板桩
总 1、达西定律 2、渗透系数 3、渗透力 4、渗透变形 5、渗透的防治
结
作业：P.3aL h1 k lg A(t2 - t1 ) h2
土试样 （横截面面积A）
h1 h
L
(基准面）
图2-6 变水头渗透试验
（3）现场抽水试验 。采用室内试验测试渗透系数，往往由于采取的 土样很难保持其天然状态，或试样难以代表现场复杂的地基状态， 有时得不到可以信赖的结果，在这种情况下，有必要通过现场抽水 试验测定渗透系数。
4. 土中水的温度 水在土中渗流的速度与水的密度及动力黏滞系数有关，而这两个数值 又与水的温度有关。一般情况下，水的密度随温度的变化很小，可忽略不计， 但水的动力黏滞系数随温度变化明显。
5. 土中封闭气体的含量
当土中封闭气体的含量增加时，其渗透系数随之减小。
2.2 渗透力与渗透变形 2.2.1 渗透力 流动的水作用在单位体积土的骨架上的力称为渗透力。渗透力是 流动的水对土体施加的体积力，它与单位体积内渗透水流受到的骨 架的阻力 大小向等，方向相反。
渗透系数
（cm/s） 1×10-1～6×10-1 6×10-1～1×10-1 2×10-1～6×10-1 6×10-1～2×10-2 1×10-1～6×10-3 6×10-1～1×10-3 1×10-1～6×10-4 6×10-1～1×10-4 <6×10-6
（m/d） 100～500 50～100 20～50 5～20 1.0～5 0.5～1.0 0.1～0.5 0.005～0.1 <0.005
其流线互不相交，称层流。水流流动时，水质点的流动
途径是不规则的，其流线在流动过程中相交再相交，并 在流动过程中产生漩涡，则称其为紊流。 一般认为，绝大多数场合下土中水的流动呈现层流状 态。
1、 渗流模型 一是不考虑路径的迂回曲折，只考虑它的主要流向； 二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空 间之总和均为渗流所充满，称为渗流模型， 认为: ①在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ②在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ③在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受 到的阻力相等。
2. 渗透系数的测定 测定土的渗透系数的方法有：常水头渗透试验和变水头 渗透试验，现场抽水试验等方法。 （1）常水头渗透试验法。 常水头试验适用于透水性较大的粗颗粒土. 为圆柱状试样的横截面面积，L为试样的厚度（即渗 流长度）， 为试验时的水头差。试验过程中，水头始终 保持常数，并测定某时段 内流经试样水的体积 ，按达西 定律即可求出渗透系数。
对于密实的黏土，土颗粒表面存在结合水膜，只有当水头梯度 大于 i ' （ 称为起始水头梯度），这时黏土的渗流规律才符合达西定律，即
0
′) v = k (i - i0
渗透速度总是小于地下水的实际流速。
v
I黏
土
o i0 io

II
黏
土
i
图2-4 粘性土的起始水头梯度