土的渗透性及渗透力解读34页PPT

水的动力粘滞系数η 饱和度（含气量） —对k影响很大，封闭气泡
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
4. 渗透系数k的经验确定方法 (自学教材p70～ p7１)
５. 成层土的等效渗透系数 水平渗流
条件:
ii i h L
1
2 z
Δh x
q q x ix
pA w
Δh
A
pB w
h1 zA 0
B L
基准面 水力坡降：
i h L
h2
0
zB
p h z 总水头： w
A点总水头：
B点总水头：
h1 z A
w
pA
h2 z B
w
pB
h h h 1 2
§3 土的渗透性及渗流 §3.2 土的渗透性
3.2.2 层流渗透定律
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
1.室内渗透试验测定渗透系数
常水头试验 条件 已知 测定 算式 取值 适用
Δh=const
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t
Δh aL k ln 1 A (t t1) Δ 2 h 2
Δh，A，L
Q， t
k QL AΔ ht
重复试验后，取均值 粗粒土
不同时段试验，取均值
粘性土
§3 土的渗透性及渗流 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系数
2.现场测定渗透系数 方法同《地下水动力学》略
3.影响渗透系数的主要因素
k f (土 粒 特 性 、 流 体 特 性 ）
粒径大小及级配 土的密实度 土的结构 土的构造

土的渗透性
1
一 概述
土是具有连续孔 隙的介质。当土 作为建筑物的地 基和直接用作建 筑材料时，水就 会在水位差的作 用下，从水位较 高的一侧透过土 的孔隙流向水位 较低的一侧。这 就是土中水的渗 流。
2
渗透的定义及土的渗透性
水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性
vd / 1.0
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Darcy渗透定律的适用条件
如果考虑水的密度ρ＝1.0（g/cm3）水温10℃时水 的粘滞系数η＝0.0131(g/sec·cm)，而一般的流速可 以考虑v＝0.25（cm/sec）可以算出满足达西定律 的土的平均粒径d
d Re/ v 0.52
• 对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般
是适用的，而对于粗粒土来讲，只有在水力坡降
很小的情况下才能适用。
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影响土渗透性的因素
实验研究表明，影响土渗透性的因素颇多，其中主要有以下几种：
1． 土粒大小和级配
土粒大小、形状和颗粒级配会影响土中孔隙的大小及形状，因而影响 土的渗透性。土颗粒愈粗、愈浑圆、愈均匀时，土的渗透性也愈好。 砂土中含有较多的粉粒和粘粒时，其渗透系数明显降低。对粘性土以 外的其它土，土的矿物成分对其渗透性影响不大。粘性土中含有较多 的亲水性矿物时，其体积膨胀，渗透性变差。含有大量有机质的淤泥 几乎是不透水的。
4
土的渗透在工程中具有重要的意义。 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。前者是研究因渗透引起的水量损失。 而后者则是研究受渗流影响时的土体稳定 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。本章将研究水在土中渗透的基本规律 及渗流理论在工程中的应用问题。

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

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流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
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2021/6/9
变水头渗透试验装置
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3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
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图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
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➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
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2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
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▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
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例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
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（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
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3-3 渗透力及渗透破坏类型
• 按照流线方向的合力为零力，则有
f0
w
dh dl
• 而渗透力J为的反作用力，即
J
w
dh dl
wi
渗透力是一种体积力，量纲与相同。渗透力的大 小和水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。
• 简易解法 Force of permeability
w h 1 F w Lc F o s w h 2 F T L 0F
3-2 土的渗流理论
渗透系数是直接衡量土的透水性
强弱的一个重要的力学性质指标。
三、实验室内测定渗透系数
可分为：常水头试验和变水头试验
（一）常水头法
是在整个试验过程中，水头保持
不变。常水头法适用于透水性强
的无粘性土。土的渗透系数：
k VL
（3-7）
Aht
下页所示为基马式渗透仪
3-2 土的渗流理论
cos Z1 Z2
L
w h 1 w Z 1 w Z 2 w h 2 T 0 L
对粘性土：vk(iib) （3-3
） k--土的渗透系数，cm/s，与土的 渗透性质有关的待定系数。
3-2 土的渗流理论
土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。 各种土的渗透系数参考值（cm/s）
土名 致密粘土 粉质粘土 粉土、裂隙粘土 粉砂、细砂
中砂 粗砂、砾石
渗透系数k (cm/s) <10-7
3-3 渗透力及渗透破坏类型
渗流所引起的稳定问题： （1） 土体的局部稳定问题，又称为渗透变形问题； （2） 整体稳定问题。
一、渗透力的概念
在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变 形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失 ，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所 受到的渗流作用力称为渗透力(seepage force or seepage pressure)或动水压力，用J表示。

2.渗透力的计算
考虑水体隔离体的平衡条件，可得：
whw ww J' wh1
whw Lw j'Lwh1
j
w(h1
hw L
L)
wh L
wi
故渗透力
j = j’= w i
从上式可知，渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大
小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。
(二)临界水力坡降
若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增大，从而作用在土体中的 渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下 的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 土体处于流土 的临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土
层状土的渗流
(一)水平向渗流
水平渗流的特点：
(1)各层土中的水力坡降i＝(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
(2)垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层nH的总渗流量等于各层土
渗流量之和，即
qxq1xq2xq3x qix i1
将(二达)竖西直定向律渗代流入上式可得沿水kx平方H1 向in1的ki等Hi效渗透系数kx：
设饱和土体内某一研究平面的 总面积为A，其中粒间接触面积之 和为As ,则该平面内由孔隙水所占 面积为 Aw ＝A－As.若由外荷(和/或 自重)在该研究平面上所引起的法 向总应力为,如图所示，那么，它 必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同来分担，即该面上的总法向 力等于孔隙水所承担的力和粒间所 承担的力之和，于是可以写成：
(一)渗透系数的测定方法
渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。
1．实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大

透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
3.2 土的渗透性
水头（伯努利定理）：
单位重量水体所具有的能量
h v2 p z
2g
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
w
压力水头p/w：水体的压力势能（p孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
造成的能量损失
水力坡降线
A
B L
基准面
Δh
pB
w hB zB
hhAhB pW AzApW BzB • 水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失 i h
L
水力梯度
h
3.2 土的渗透性
二、渗透试验与达西定律
1.渗透试验
试验前提：层流
试验装置：如图
现场测定法3－抽水试验
试验条件: Q=const
抽水量Q
井
r2
r1
观察井
量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？
地下水位≈ 测压管水面
不透水层
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
3.2 土的渗透性
计算公式：
A=2rh
r2
抽水量q
r
i=dh/dr
vi v q ki
A
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
3.2 土的渗透性
适用条件
层流（线性流）
v
——大部分砂土，粉土；疏松的粘土 及砂性较重的粘性土

谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你思则罔，思而不学则殆。——孔子
土的渗透性及渗透力（知识荟萃）
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克