主講：張彥輝專業：建筑工程土力學第三章土的滲透性本章主要內容

3.1概述

3.2土的滲透性與滲透規律

3.3滲透力與滲透變形碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質滲透特性強度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性能量差土顆粒土中水滲流土體中的滲流3.1概述內因？外因？透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲流問題：1.滲流量？2.滲透力？3.滲透破壞？滲流問題－土石壩壩基壩身滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量？2.滲水壓力？3.滲透破壞？透水層不透水層基坑板樁墻滲流問題－板樁圍護下的基坑滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q滲流問題－水井滲流3.1概述滲流問題：1.滲流量？2.地下水影響

范圍？原地下水位滲流時地下水位滲流問題－渠道、河流滲流3.1概述滲流問題：1.滲透力？2.入滲過程？滲流問題－降雨入滲引起的滑坡3.1概述滲流量揚壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置入滲過程擋水結構物集水結構物引水結構物基礎工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性滲流問題－土的滲透特性3.1概述內容滲流的驅動能量反映滲流特點的定律土的滲透性地基的滲透系數3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降二、土的滲透試驗與達西定律三、滲透系數的測定及影響因素四、層狀地基的等效滲透系數位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降水流動的驅動力總水頭計算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭位置水頭Z：到基準面的距離，代表單位重量的液體從基準面算起所具有的位置勢能壓力水頭u/γw：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能測管水頭：測管水面到基準面的距離，＝位置水頭＋壓力水頭，表示單位重量液體的總勢能在靜止液體中各點的測管水頭相等zA00ABu0pazB基準面靜水位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降水流動的驅動力總水頭計算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢能高處流向位置勢能低處壓力：水所具有的壓力勢能流速：水所具有的動能也可使水流發生流動水流動的驅動力3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降水流動的驅動力總水頭計算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭位置勢能：mgz壓力勢能：00基準面質量m壓力u流速vz動能：總能量：稱為總水頭，是水流動的驅動力；＝位置水頭＋壓力水頭＋流速水頭單位重量水流的總能量：總水頭計算3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降ABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動，應滿足液體流動的三大基本方程：連續性方程、能量方程、動量方程滲流中的水頭與水力坡降3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降水流動的驅動力總水頭計算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭ABLhAzA基準面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）流速水頭v2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流≈0）巖土工程中的絕大多數滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍。在粗粒土孔隙中，水流形態可能會隨流速增大呈紊流狀態。滲流的總水頭：也稱測管水頭，是滲流的總驅動能。滲流中的水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降滲流總是從水頭高處流向水頭低處ABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流總是從水頭高處流向水頭低處位置水頭、壓力水頭、測管水頭3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降水流動的驅動力總水頭計算滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水力坡降滲流中的水頭

A點總水頭：ABLhAhBzAzBΔh基準面水力坡降線

B點總水頭：二點總水頭差：反映了兩點間水流克服摩阻力造成的能量損失

水力坡降i：單位滲流長度上的水頭損失滲流中的水力坡降3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降靜止液體中，各點的測管水頭（總水頭）相等→△h=0，i=0內容滲流的驅動能量反映滲流特點的定律土的滲透性地基的滲透系數3.2土的滲透性與滲透規律一、水頭與水力坡降二、土的滲透試驗與達西定律三、滲透系數的測定及影響因素四、層狀地基的等效滲透系數LAh1h2QQ透水石1856年達西(Darcy)在研究城市供水問題時進行了滲流試驗或：單位時間、流過單位面積的流量v與水頭差成正比，與滲流長度成反比。其中，A：試樣的斷面積Q：單位時間的流量二、土的滲透試驗與達西定律3.2土的滲透性與滲透規律達西定律：在層流狀態的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質有關滲透系數k:

反映土的透水性能的比例系數，其物理意義為水力坡降i＝1時的滲流速度，單位：

cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度3.2土的滲透性與滲透規律二、土的滲透試驗與達西定律單位時間、流過單位面積的流量v滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，vv為實際平均流速，孔隙斷面的平均流速3.2土的滲透性與滲透規律二、土的滲透試驗與達西定律土顆粒土中水滲流適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態可能會隨流速增大呈紊流狀態，滲流不再服從達西定律?？捎美字Z數進行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe=Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re

＞5時為過渡區

達西定律的適用范圍3.2土的滲透性與滲透規律v：平均流速、η：運動粘滯系數、d10：有效粒徑二、土的滲透試驗與達西定律在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達西定律不再適用，此時：ivoi0兩種特例對致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？ivovcri>i0,v=k(i-i0)達西定律的適用范圍3.2土的滲透性與滲透規律二、土的滲透試驗與達西定律常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗室內試驗方法野外試驗方法三、滲透系數的測定及影響因素3.2土的滲透性與滲透規律試驗條件:

Δh，A，L=const

量測變量:體積V，t適用土類：透水性較大的砂性土hL土樣AVQ常水頭試驗法3.2土的滲透性與滲透規律Q：單位時間的流量；V：流量；V=Qt三、滲透系數的測定及影響因素試驗條件:Δh變化

A，a，L=const

量測變量:h，t適用土類：透水性較小

的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關a變水頭試驗法3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素土樣At=t1t=t2h1h2LQ水頭測管開關在tt+dt時段內：

選擇幾組量測結果

，計算相應的k，取平均值變水頭試驗法3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素hdhtt+dt水頭差降低了入流量：出流量：連續性條件：常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土室內試驗方法小結3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素是影響土中孔隙直徑大小的主要因素粗顆粒形成大孔隙；細顆粒充填大孔隙→細顆粒決定土體孔隙的大小→土的滲透系數常用有效粒徑d10來表示，如哈臣公式：土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素是單位土體中孔隙體積的直接度量對于砂性土，常建立孔隙比e與滲透系數k之間的關系，如：土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素對粘性土，影響顆粒的表面力粘土礦物不同，滲透系數相差極大：高嶺石>伊里石>蒙脫石；當粘土中含有可交換的鈉離子越多時，其滲透性將越低塑性指數Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數的參數土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素影響孔隙系統的構成和方向性，對粘性土影響更大在宏觀構造上，天然沉積層狀粘性土層，扁平狀粘土顆粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微觀結構上，當孔隙比相同時，凝聚結構（片架結構）>分散結構（片堆結構）土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素飽和曲線含水量wWop干容重dmax1含水量w滲透系數k凝聚結構分散結構水的運動粘滯系數η：

溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道：飽和度小→k小土的性質水的性質粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構滲透系數的影響因素3.2土的滲透性與滲透規律三、滲透系數的測定及影響因素非飽和土，飽和土？等效滲透系數天然土層多呈層狀四、層狀地基的等效滲透系數3.2土的滲透性與滲透規律水平等效滲透系數垂直等效滲透系數各層土的ki單一土層的k總體的透水性不變hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層水平等效滲透系數:kx=?已知條件:達西定律:水平等效滲透系數kx3.2土的滲透性與滲透規律四、層狀地基的等效滲透系數LH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kz=?已知條件:達西定律:垂直等效滲透系數:垂直等效滲透系數kz3.2土的滲透性與滲透規律四、層狀地基的等效滲透系數算例說明按層厚加權平均，由較大值控制層厚倒數加權平均，由較小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz2.2土的滲透性與滲透規律四、層狀地基的等效滲透系數水平滲流情形垂直滲流情形條件已知公式四、層狀地基的等效滲透系數3.2土的滲透性與滲透規律練習6

直徑10.0cm，高度15.0cm的砂質土，以10.0cm的水頭差進行了常水頭滲透試驗。測得1分鐘的流量為120cm3。試計算①平均流速v（cm/s），②水力坡降i，③土的滲透系數（cm/s）。設土的孔隙比為0.5，則④實際流速vv是多少？【解】練習7

設用于變水頭滲透試驗的粘土試樣的直徑為7.10cm，高度為10.05cm。滲透儀細玻璃管的內徑為1.00cm。試驗開始時間為10時10分，水頭差為142.1cm。試驗結束時間為11時20分，水頭差為107.4cm。試計算粘土的滲透系數k（cm/s）?！窘狻喀=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>0水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力＝流動的孔隙水對土骨架產生一個摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab滲透力j：（滲透作用中，）孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗觀察h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab土粒滲流滲透力j：體積力滲透力j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗觀察總滲透力J＝土粒對水流的阻力（＝水流克服阻力的損失（水頭損失））（γw△hA）3.3滲透力與滲透變形滲透力－試驗觀察J水流作用于土體的總滲透力：單位土體內土骨架所受到的滲透力：二點總水頭差：反映了兩點間水流克服摩阻力造成的能量損失截面積

A=1h200hwL土樣濾網貯水器abWW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整體受力分析-靜水3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析濾網承受的力R=？有效重量w’截面積

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析濾網承受的力R=？有效重量w’R=L-wh土水整體受力分析-對比h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab靜水中的土體滲流中的土體向上滲流存在時，濾網承受的力減少了R=L減少的部分由誰承擔？總滲透力：J=wh滲透力j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力j=J/V=wh

/L=wi3.3滲透力與滲透變形滲透力－受力分析i大，則j大R=W’-J滲流中的土體物理意義：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大小：

j=wi方向：與水力坡降方向一致作用對象：土骨架3.3滲透力與滲透變形滲透力－性質滲流向上時，濾網承受的力減少。濾網承受的力為零時的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發生流土破壞時的水力坡降：R=L-wh=0h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器abicr=h/L=/w由于icr取決于土的物理性質3.3滲透力與滲透變形臨界水力坡降R=W’-J=0孔隙比e大，icr小土工結構物及地基由于滲流作用而出現的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工結構物發生破壞的常見類型3.3滲透力與滲透變形滲透變形基本類型流土管涌形成條件防治措施流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內的土體或顆粒群同時發生懸浮、移動的現象。粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實度有關3.3滲透力與滲透變形滲透變形－流土Fs:安全系數1.5~2.0[i]:允許坡降

i<icr:土體處于穩定狀態

i=

icr:土體處于臨界狀態

i>icr:土體發生流土破壞工程設計：在自下而上的滲流逸出處，任何類型的土，只要滿足水力坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發生流土：3.3滲透力與滲透變形滲透變形－流土可能性的判別壩體原因內因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷3.3滲透力與滲透變形滲透變形－管涌土是否會發生管涌，取決于土的性質：粘性土屬于非管涌土無粘性土中發生管涌必須具備相應的幾何條件（內因）和水力條件（外因）3.3滲透力與滲透變形滲透變形－管涌可能性的判別較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu>10）不連續連續d0=0.25d20細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%d0