全国工程地质及土力学复习资料（完整版）（B ）
第三章 土的渗透性和渗流
一、土：是一种有碎散矿物颗粒组成，并具有连续空隙的多孔介质。
渗流：水通过土中连续孔隙流动。
渗透性：土被水渗流通过的性能
渗透力：水在土体中渗流，水流对土颗粒作用形成的作用力
二、达西定律：
1.水在饱和土中渗流是水流运动的一种形式，应遵从水力学的基本规律。
2.g
v r u z h w 22
++= {试中：z ：该点对任一的基准面O-O ′的高度，表示土体中水单位重量所具有位能即重力势能。
u ：土中水压力，又称孔隙水压力，表示土中水具有的压力势能，u/r w （r w 为水容重)为孔隙中水压力的水柱高度，或称压力水头，代表该点的压力势能。
v ：该点的渗透流速，g 为重力加速度，v 2/2g 代表该点所具有的动能。
h ：总水头高，为该点位能、压力势能、动能的总水头（即能量）。
}
3.位能和压力势能水头之和（z+u/r w ）称为测压管水头。
由于土颗粒的助力往往较大，所以渗透流速很小，可以忽略不计，常用测压管水头表示渗流的总水头，（即w r u z h +=） b a h h h +=∆
4.水利力度i ：水沿渗透路径方向流动产生总水头的损失率，意义为单位渗透路径的水头损失。
即L
h i ∆∆={试中：i ：水力梯度，是无因次的，其中负号表示沿水流方向水头降低。
ΔL ：渗透路径的长度。
Δh ：经过渗透路径长度ΔL 对应的水头损失（水头差）} 5. ki A
Q v =={试中：Q ：渗透流量（cm ³/s 或m ³/d ），为单位时间水流通过土试样截面积A 的流出量Q=V/t ，V 为时间t 内流出的水量。
A ：土试样的截面积，包括土颗粒及孔隙在内的总截面积。
v ：渗透流量速度或称为截面平均渗透速度，单位为mm/s 或m/d 。
k ：渗透系数，为反映土渗透性能的系数，相当于单位水力梯度（i=1）时的渗透流量速度（平均渗透速度），故其量纲与流速相同（mm/s 或m/d ）}达西定律中渗透流量速度v 并不是水在土孔隙中流动的实际平均流速
6.达西定律的适用范围主要与渗透水流在土中的流动状态有关（属于层流状态者适用，紊流状态则不适用），还与土孔隙中液体性质，土颗粒的大小、形状、矿物成分，水的相互作用有关。
7.影响土的渗透因素：渗透水的性质，土的颗粒大小级配，空隙比，矿物成分，围观结构，宏观结构。
粗粒土的渗透性主要决定于孔隙通道的截面积。
粉质土的渗透性的主要因素不是土的有效粒径，而是颗粒矿物质土的渗透性的团粒直径。
粘性土的渗透性因素主要是粘土矿物表面活性作用，原状结构土的孔隙比大小。
粘性土沉积层的渗透性往往各向异性，竖向与水平向的渗透系数是不同的。
8.起始水力梯度i 0：水力梯度很小时，不产生渗透，当达到某梯度时，才出现渗透，这一梯度称为起始梯度。
对于i ＞i 0时才产生渗透，这时因为密实粘土的颗粒具有较厚的结合水膜，
而且颗粒间相互靠近，阻碍自由通过，只有达到一定水力梯度，客服结合水膜的阻力才产生渗流
三、渗透系数的测定
1.渗透系数的测定可分为现场试验和室内试验。
室内试验有常水头试验和变水头试验。
2.常水头试验：L h kA kiA t V Q ∆=== h
L At V k ∆⋅= (式中：L ：试样长度；A ：截面积；t ：时间；h ∆：测压管水头差；V ：测定历时t 流过试样的水量) 3.变水头试验：2112ln )(h h t t A aL k -=
或 2112log )(3.2h h t t A aL k -= 四、流网的性质：①流线与等势线彼此正交②如果在流网中各等势线间的差值相等各流线间的差值也相等，则网格的长宽比为常数，若令长宽比为1，则流网网格呈曲线正方形③相邻两等势线间的水头损失相等④相邻两流线间的水流通道称为流槽，流网上各流槽的流量相等
五、渗透力：水在土中渗流，受到土骨架的阻力，同时水也土骨架施加推力，单位体积土骨架所受到的推力称为渗透力
由于渗透力的大小与单位体积内水流所受到的阻力大小相等，方向相反，所以渗透力为i f j w s γ== 单位：3m kN 。
其大小与水力梯度成正比，其方向与渗流（或流线）的方向一致 六、临界水力梯度e
G i s w w sat w cr +-=-='=11γγγγγ 有效重度（浮重度）()e
G w s w sat +-=-='11γγγγ （式中：e ：空隙比；sat γ：饱和容重；Gs ：比重）
当c i ＜cr i ，处于稳定状态；当c i =cr i ，处于临界状态；当c i ＞cr i ，处于渗透破坏状态
七、若渗透水流自下而上作用于砂土，砂土中的有效重度（浮重度）为γ'，则当j ＞γ'时，砂土将被渗透力所悬浮，失去其稳定性；当γ'=j 时，砂土将处于悬浮的临界状态
八、渗流引起的工程常见问题？
渗透变形（渗透破坏）：当渗透力较大时，就会引起土颗粒的移动，甚至把土颗粒带出而流失，使土体产生变形和破坏。
(土木建筑物及地基由于渗流的作用而出现变形或破坏)，其表现形式有1、流土2、管涌3.、接触流土4、接触冲刷。
流土：在渗透向上的作用时，土体表面局部隆起或者土颗粒同时发生悬浮和移动的现象。
（粘性土引起流土，属于流土型土）；管涌：在渗透水流的作用下，土体中的细土粒在粗土粒间的孔隙通道中随水流移动并被带出流失的现象。
（管涌型土）。
九、防治渗透变形的措施：①降低水力梯度，为此，可以采用降低水头或增设加长渗径等办法 ②在渗流溢出处增设反滤层或加盖压重或在建筑下游设计减压井、减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。
十、有效应力σ'：作用于土颗粒骨架上并有效地改变了土的力学性质的作用力称为有效应力
孔隙水压力u ：由于水的重量所增加的压力并不引起试样土试样的空隙比产生任何的改变，也不改变试样土的力学性质，测不出试样产生体积变化，这一应力称为中性应力，也称为空隙水压力（w w h u γ=）
u +'=σσ （式中：σ：总应力；σ'：有效应力；u ：孔隙水压力；
） 十一、在静水条件下空隙水压力和有效应力
浸没在水下的饱和土体，设浸没水深为1h ，土的饱和容重为sat γ，则土面下深度为2h 的a-a 平面的总应力为21h h sat w γγσ+= 孔隙水压力为：()21h h h u w w w +==γγ
根据有效应力原理，a-a 平面上的有效应力为：()22121)()(h h h h h u w sat w sat w γγγγγγσσ'=-=---=-='
由此可见，静水条件下的孔隙水压力为所研究平面上单位面积的水柱重，它与水深成正比，呈三角形分布；而有效应力为所研究平面上单位面积土柱的有效重，与土层埋置深度成正比，也呈三角形分布，与土面上的静水位无关
十二、在稳定渗流下的空隙水压力和有效应力
①)(21h h h h u w w w -+==γγ 21h h sat w γγσ+= h h u w γγσσ+'
=-='2 （式中：h ：a-a 面上的孔隙水压力因渗流产生水头损失而减少了h ）
与静水情况相比，当有向下渗流时，a-a 平面的总应力仍保持不变，孔隙水压力减少了h w γ，而有效应力相应增加h w γ。
因而证明了在总应力不变的条件下，孔隙水压力减少等于有效应力增加。
②h h sat w γγσ+=1 )(21h h h h u w w w ++==γγ h h u w γγσσ-'
=-='2 与自上向下渗流情况相比，孔隙压力增加了h w γ，而有效应力相应的减少了h w γ。
若不断增加向上渗流的水位差h ，直到a-a 平面的孔隙水压力与总应力相等，即有效应力为零，则j i h h w w ==⋅='γγγ2
为土的临界条件，由此看来，有效应力为零也是理论上流土的临界条件。
小结：名词解释
1.渗透力：水在土体中渗流，水流对土颗粒作用形成的作用力称为渗透力
2.水力梯度：流网中任意网格的水力梯度为相邻两等势线的水头差除以相邻两流线的平均长度
3.流土：在渗流向上流动时，土体表面局部隆起或者土颗粒群同时发生悬浮和移动的现象称为流土
4.管涌：管涌是渗透变形的另一种形式，这是指在渗透水流的作用下，土体中的细土粒在粗土粒间的孔隙通道中随水流移动并被带出流失的现象
简答题
1.渗流引起的工程问题常见的有几种？
答：（1）渗漏（2）渗透变形（3）基坑降水引起地基沉降
2.影响渗透性的因素有哪些？
答：（1）粗土粒的渗透性主要决定于孔隙通道的截面积（2）粉质土类渗透性的主要影响因素不是有效颗粒，而是其颗粒而产生的成分形成的团粒直径（3）粘性土渗透性的主要因素是粘土矿物表面活性作用和原状结构土的空隙比大小
3.渗透破坏的形式有哪些？
答：流土、管涌、接触流土、接触冲刷。
对于单一土层来说，则主要是流土和管涌
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