第3章土的滲透性和滲流力碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動滲透滲透性土具有被水、氣等液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概述能量差水、氣等在土體孔隙中流動的現象滲流量滲透變形石壩浸潤線透水層不透水層石壩壩基壩身滲流滲透壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流滲流量滲透變形滲透壓力滲流滑坡土的滲透性及滲透規律二維滲流及流網滲透力與滲透變形水頭梯度土坡穩定分析§3.2土的滲透性與滲透規律一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗與達西定律三．滲透系數的測定及影響因素能量方程滲流速度的規律滲透特性四．層狀地基的等效滲透系數地基的滲透系數一、滲流中的水頭與水力坡降ABL透水層不透水層基坑ABLh1h2zAzBΔh00基準面z：位置水頭A點總水頭：B點總水頭：總水頭：水力坡降：二、滲透試驗與達西定律試驗前提：層流斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗試驗結果試驗裝置：如圖試驗條件:

h1，A，L=const量測變量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T2.達西定律滲透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。注意：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透水性能的比例系數，稱為滲透系數物理意義：水力坡降i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：①礫石類土中的滲流不符合達西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s適用條件ivovcrivi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土兩種特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0

)三、滲透系數的測定及影響因素室內試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗1.測定方法野外試驗測定方法室內試驗方法1—常水頭試驗法結果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土室內試驗方法2—變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh

，t對于透水性較小的粘性土，應采用變水頭試驗法結果整理:理論依據:t時刻：

ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t

，計算相應的k，取平均值常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t室內試驗方法不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土2.影響因素土粒特性流體特性粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構和構造水的動力粘滯系數（水溫）飽和度（含氣量）—對k影響很大，封閉氣泡四、層狀地基的等效滲透系數等效滲透系數確立各層的ki根據滲流方向確定等效滲流系數天然土層多呈層狀H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiH1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲流v承壓水條件:等效滲透系數:vi=ki

(Δhi/Hi)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定§3.3平面滲流與流網Laplace方程一、平面滲流的基本方程及求解連續性條件假定：Δh對于穩定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬：

dy=1與時間無關達西定律平面滲流的基本方程

1.基本方程連續性條件達西定律假定Laplace方程①與kx,kz無關②滿足它的是兩個共軛調合函數——勢函數和流函數特點描述滲流場內部的測管水頭的分布，是平面穩定滲流的基本方程式2.求解方法基本方程邊界條件解析方法適用于邊界條件簡單的情況通解：兩個共軛調和函數勢函數Φ(x,z)流函數Ψ(x,z)等勢線流線邊界條件特定解二、流網的繪制及應用

流網——滲流場中的兩族相互正交曲線——等勢線和流線所形成的網絡狀曲線簇。流線——水質點運動的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點之連線。流網法——通過繪制流線與勢線的網絡狀曲線簇來求解滲流問題。基本要求1.正交性：流線與等勢線必須正交H△h0lsls2.各個網格的長寬比c應為常數。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。ABCDlsH△h00ls繪制方法根據滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形流線→等勢線→反復修改，調整精度較高的流網圖初步繪制流網流網特點與上下游水位變化無關Δh=const；與k無關；等勢線上各點測管水頭h相等；相鄰等勢線間的水頭損失相等；各流槽的滲流量相等?？偹^差

△

h實際應用確定流速確定流量水力坡降§3.4滲透破壞與控制

一、滲透力（動水力）試驗觀察Δh>0水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產生一個摩擦、拖曳力。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。滲透變形滲透力Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器abh200hwL土樣濾網貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L土水整體分析h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器abP2WP1RA=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L－γwΔh滲流中的土體靜水中的土體R=γ’L－γwΔhR=γ’L滲流中的土體向上滲流存在時，濾網支持力減少水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi---體積力R=γ’L－γwΔh滲流中的土體所受濾網支持力向上滲流存在時，濾網支持力減少臨界水力坡降i=Δh/L=γ’/γwicr=

γ’/γwγ’L－γwΔh=0滲透力的性質物理意義：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j=γwi大?。悍较颍号c滲流方向一致作用對象：土骨架利用流網求滲透力復雜條件總滲透力大?。簀x網格面積

方向：與流線一致作用點：形心

流網較密處i較大，該處滲透力也大不同位置的滲透力對土體穩定性的影響不同H△h0lsls基本類型二、滲透變形（滲透破壞）

流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現的變形或破壞形成條件防治措施1.流土

在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒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：形成條件Fs:

安全系數1.5～2.0[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩定狀態土體發生流土破壞土體處于臨界狀態經驗判斷：管涌2.管涌原因：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。管涌破壞流土與管涌的比較

流土土體局部范圍的顆粒同時發生移動管涌只發生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等現象位置土類歷時后果土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發生于土體內部和滲流溢出處一般發生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發生塌陷或潰口3.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

防治流土減小i：上游延長滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降3.4.1概述土體受力后的三個問題：

三相如何分擔外力？全部由顆粒承擔？

三相間的應力如何傳遞和相互轉化？

它們與土的變形和強度有何關系？

§3-4有效應力原理●四大定律：

1壓縮定律（de=-adp） 2Coulomb強度定律 3Dachy定律(v=ki) 4有效應力原理構成了整個土力學學科的結構體系?！裼行υ砻枋隹倯Α⒂行涂紫秹毫θ咧g的關系的理論原理.

當土體承受力系時，作用于任一平面上的總應力是由土骨架所發揮的有效應力和孔隙中流體所承受的孔隙壓力來共同承擔。Terzaghi1925年最先提出§3-4有效應力原理3.4.2有效應力原理

●表達式（飽和土、非飽和土）●

實驗驗證●

幾點說明●

不同條件、不同土有效應力的物理含義●有效應力原理的工程應用§3-4有效應力原理●表達式

A=As+Aw+Aa

P=Ps+Pw+Pa

Ps=sAsPw=wAw

Pa=aAa

P=

sAs+uwAw+uaAa

P=Ps+Pw+PaA=As+Aw+Aaa總應力：

=P/A=

ss+uww+uaa

(s+w

+a

=1)

※對于完全飽和土，有：ua

=0,Aa

=0,a=0

只有：

s+w

=1或w=1-s

于是：

=ss+uww=

ss+uw(1-s)

=ss+uww=

ss+uw(1-s)分析：

(1) As值極小，<1%～1‰，可忽略，即：s

0;

(2) s非常大，可達材料屈服應力，(ss)不會趨近零， 形成了一個實在量:土骨架的粒間應力，用’

表示，即

’

=ss

=’+uw

※對于部分飽和土（非飽和土）1955,畢肖普Bishop提出：

式中:——由孔隙氣壓力；——由孔隙水壓力（總小于孔隙氣壓力，導致孔隙水表面受張力作用）；——毛細水壓力；——與飽和度有關的系數：飽和土，；理想干土，。說明：非飽和土研究尚處于起步階段，有待深入研究，但較復雜。●實驗驗證●幾點說明

※土的有效應力與粒間應力

具有相同的含義。

※物理內涵：實質上是對于總應力作用面積上經

過土顆粒之間傳遞的平均應力。

※

有效應力不可測，只能測孔隙水壓力，反算之※孔隙水壓力各向相等，因而不會造成土體壓縮；※有效應力屬于土顆粒骨架間的直接作用力,只有有效應

力會導致土體產生壓縮變形、發生強度變化，因此，

土體變形、破壞研究的關鍵在于土體有效應力。

●不同條件、不同土有效應力的物理含義(1)極細粒土：分子間的作用力 有效應力

粒間應力與分子作用力的綜合反映(2)高塑性飽和細粒粘土：粒間水膜很厚，土粒尖很少有接觸 有效應力主要反映為顆粒之間的分子力；(3)非飽和土：孔隙壓力孔隙氣壓力+孔隙水壓力●

有效應力原理的工程應用各類設計計算問題—