第三章：土的渗透性及渗流

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1、第三章：土的渗透性与渗流本章的主要内容：达西定律；渗透系数的测定方法；渗流力。3.1概述渗透或渗流---土空隙中存在的水当有水头差作用时，水通过土中空隙的流动。在重力作用下，地下水的流动（土的渗透性问题）土中附加应力作用下孔隙水的挤出（土的固结问题）表面张力作用下，土的毛细现象；土颗粒的分子引力作用下结合水的运动，冻结时的土中水分的移动；基本概念渗透---土中水从土中孔隙中透过的现象称为渗透。渗透性---土体具有被水透过的性质称为渗透性；渗流---水在土孔隙中的流动问题称为渗流。渗透与渗流的基本问题：（1）渗流量问题（2）渗透破坏问题（3）渗流控制问题工程上常见的渗透与渗流

2、问题※基坑、隧道开挖过程中的渗水；---基坑、隧道的涌水、淹没等※挡水土坝的渗水；---水量损失、土坝跨塌※地下水的污染；---水体污染※地下水的开采；---地面沉降、开裂等渗流与渗透防渗墙3.2土的渗透性法国工程师H．达西（Darcy，1855）对均匀砂进行渗透试验，得到层流条件下土中水渗透速度与能量（水头）损失之间的关系，即达西定律。达西定律：单位时间内的渗出水量q与圆筒断面积A和水力梯度i成正比，且与土的透水性质有关。水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比参数与定义v：渗透速度（cm/s或m/s）q：渗流量（cm3/s或m3/s）i:水力

3、梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次h:试样两端的水位差，即水头损失L:渗径长度K:渗透系数（cm/s或m/s,m/d）A:试样截面积（cm2或者m2）适用：中砂、细砂、粉砂等，粗砂、砾石、卵石等粗颗粒不适用公式应用的假定按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多，如均质砂土的孔隙率为n，则他们之间的关系为达西定律中采用的渗径长度并不是渗流的实际长度，土中渗流的实际长度要大于计算长度。达西定律的适用条件达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，渗流

4、速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用。流速与水力梯度的关系－砂土砂土的水力梯度与渗流速度呈线性关系，符合达西渗透定律。流速与水力梯度的关系－粘土对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度ib粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密

5、实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。流速与水力梯度的关系－粘土流速与水力梯度的关系－砾土在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用。渗透试验与渗透系数k的测定渗透系数k是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。它只能通过试验直接测定。室内试验常水头试验---试验过程中水头保持不变,适用于透水能力强的砂质土变水头试验---试验过程中水头随时间变化，适用于透水能力弱的粘性土现场试验------适用

6、于不易取样的土或土层室内渗透试验---常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。室内渗透试验---变水头试验适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。现场试验在现场进行渗透系数k值测定时，常用现场井孔抽水试验或井孔注水试验的方法。对于均质的粗粒土层，用现场抽水试验测出的k值往往要比室内试验更为可靠。影响渗透系数的因素a.土的性质对k值的影响粒径大小与级配；孔隙比；矿物成分；结构；饱和度。尤以前两项，即粒径大小和孔隙比对k的影响最大。b.渗透水的性质对k值的影响水的性质对渗透系数k值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低，k值变大：反之k值变小。厚度等

7、效渗透系数等效层状地基的等效渗透系数大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的层土所组成，宏观上具有非均质性。层状土层单一土层等效方法：等效厚度等于各土层之和。等效渗透系数的大小与水流的方向有关。水平向渗流水平渗流的特点：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。垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量之和。由达西定律，得沿水平方向的等效渗透系数kx：竖直向渗流竖直向渗流的特点：由连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速相同。流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水