1、4.2 达西定律,总水头：单位重量水体所具有的能量,位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u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）,渗流的总水头：,渗流问题的水头,也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,A点总水头：,水力坡降,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失,4.2 达西定律,达西渗透试验,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,4.2 达西定律,试
2、验前提：层流,试验结果,试验装置：如图,试验条件: h1，A，L=const,量测变量: h2，V，T,h=h1-h2,Q=V/T,h，QA，Q L， Q,断面平均流速,水力坡降,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,注意：,A,v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A Av,QvA vsAv,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i1时的渗流速度,单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day,Av,渗透定律,达西定律的适用范围,4.2 达西定律,适用条件：层流（
3、线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0 ？,ii0, v=k(i - i0 ),渗透系数的测定方法,常水头试验法变水头试验法,井孔抽水试验井孔注水试验,4.3 渗透系数的测定方法,室内试验方法野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件: h，A，L
4、=const量测变量: 体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const量测变量: h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,室内试验方法小结,4.3 渗透系数的测定方法,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,4.3 渗透系数的测定方法,现场测定法抽水试验,试验条件:Q=const量测变量: r=r1，h1=？r=r2，h2=？,优点：可获得现场较为可靠
5、的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长,现场测定法抽水试验,4.3 渗透系数的测定方法,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数,渗透系数的影响因素,4.3 渗透系数的测定方法,是土中孔隙直径大小的主要影响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：,土的性质水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,渗透系数的影响因素,4.3渗透系数的测定方法,是单位土体中孔隙体积的直接度量 对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：,渗透系数的影响因素,土的性质水
6、的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,4.3 渗透系数的测定方法,对粘性土，影响颗粒的表面力 不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石 ； 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数,渗透系数的影响因素,土的性质水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,4.3 渗透系数的测定方法,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大 在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平k垂直 在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性,渗透系数的影响因素,土的性质水的性质,粒径大小及级
7、配 孔隙比 矿物成分 结构,4.3 渗透系数的测定方法,渗透系数的影响因素,土的性质水的性质,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,4.3 渗透系数的测定方法,等效渗透系数:,层状地基的水平等效渗透系数,4.3 渗透系数的测定方法,层状地基的垂直等效渗透系数,等效渗透系数:,4.3 渗透系数的测定方法,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,4.3 渗透系数的测定方法,层状地基的等效渗透系数,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,4.3 渗透系数的测定方法,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,h=0 静水中，土骨架
8、会受到浮力作用。 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。,渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L satL( + w),P1 = whw,P2 = wh2,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh2 = L(+ w) + whw,R = L,土水整体受力分析-静水,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L satL( + w),P
9、1 = whw,P2 = wh1,R = ?,R + P2 = W + P1,R + wh1 = L(+ w) + whw,R = L - wh,土水整体受力分析-渗流,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,R = L - wh,土水整体受力分析- 对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,R = L,减少的部分由谁承担？,总渗透力： J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,j = J/V = wh /L = wi,4.4 渗透力与渗透变形,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流
10、土破坏时的水力坡降：,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R = L - wh=0,临界水力坡降,icr = h/L =/w,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,4.4 渗透力与渗透变形,P1+ Ww+ J = P2,水体的平衡条件,j = wi,whw+ wL + j L= wh1,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1 = whw,P2 = wh1,Ww= Vvw+ Vsw= Lw,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 大小： j = wi 方向：与水力坡降方向一致 作用对象：土骨架,4.4 渗透力与渗透变形,土
11、工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌流土接触流土接触冲刷,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,4.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 - 流土,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,渗流,4.4 渗透力与渗透变形,4.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终
12、在土中形成与地表贯通的管道,渗流,4.4 渗透力与渗透变形,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,4.4 渗透力与渗透变形,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许坡降,i icr :土体处于稳定状态,i = icr :土体处于临界状态,i icr :土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,4.4 渗透力与渗透变形,土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,管涌可能性的判别,
