土力学 第2章 土的渗透性与渗流

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1、郑州大学土木工程学院土力学授课者刘忠玉第二章土的渗透性与渗流第一节概述第二节土的渗透性与达西定律第三节渗透系数的测定及其影响因素第四节二维渗流、流网及工程应用第五节渗流力与渗透破坏第一节土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透(permeability)或渗流(seepage)闸基渗流模拟基坑渗流模拟第二节土的渗透性与达西定律一、地下水的运动方式1。层流和湍流2。稳定流和非稳定流3。单向流动，二维流动和

2、三维流动二、水头和水力坡降的概念三、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律i-水力梯度(hydraulicgradient)，即沿渗流方向单位距离的水头损失k-渗透系数(permeabilitycoefficient)v-渗透速度(seepagevelocity)，非真实流速四、达西定律适用范围与起始水头坡降达西定律讨论：1.砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系2.密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系

3、数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib计算起始水力坡降虚直线简化v=kiivO砂土0iv密实粘土在砾类土和巨粒土中，若水头梯度较大，水在其中的流动大多是紊流状态，呈非线性关系；只有在较小的水头梯度时，才可能是线性的达西定律适用于饱和砂土、层流，不适用于紊流0iv砾土第三节渗透系数的测定及影响因素一、渗透试验（室内）时间t内流出的水量1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。2、变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一

4、时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量dQ=－adh在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt分离变量积分适用于透水性差，渗透系数小的粘性土二、现场抽水试验根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻至不透水层时称为完整井,井底未钻至不透水层时称非完整井无压完整井无压非完整井三、影响渗透系数的因素1.土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小

5、。2.土的密实度3.水的动力粘滞系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表四、成层土的渗透性第四节二维渗流、流网及工程应用一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程势函数，流函数，均满足拉普拉斯方程等势线，流线，互相垂直二、平面

6、渗流的流网解法三、流网的工程应用任意两等势线间的水头差渗流速度单宽流量孔隙水压力第五节渗流力与渗流破坏1、渗流力和临界水头梯度渗流力(seepageforce)——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反渗流作用于单位土体的力说明：渗流力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比

7、，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出2、渗透变形(seepagedeformation)渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）(1)流土(soilflow,floatingearth,qu

8、icksand)——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏(2)管涌(piping)或潜蚀(suffosion)——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管