《土力学与基础工程》课程授课教案（讲义）第二章 土的物理性质及工程分类 2.6 土的渗透性

§2.6土的渗透和滲流 土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时， 水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的 侧。 一、渗透的定义及土的渗透性 渗透：水透过土体孔隙的现象 渗透性：土具有被水透过的性能。 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益：另一方面将 引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重 时还会酿成破坏事故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响 1.水的问题 水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工 程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题：相反在以蓄水为目的的土坝中 会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题：另外还有一些像污水的渗透引 起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问 题。也就是说，说自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水 位)的变化所引起的问题。 2.土的问题 土的问题是指由于水的渗透引起士体内部应力状态的变化或土体、地基本身 的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的 影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变 化而失稳：土坝、提防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿 成破坏事故：非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑 坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。 二、土的渗透定理 1.层流渗透定律 层流：相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。 紊流：相邻两个水分子运动的轨迹杂乱无章而混流。 达西定律：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。 =k经加 q=vA=kiA

§2.6 土的渗透和渗流 土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时， 水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一 侧。 一、渗透的定义及土的渗透性 渗透：水透过土体孔隙的现象。 渗透性：土具有被水透过的性能。 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将 引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重 时还会酿成破坏事故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响 1.水的问题 水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工 程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中 会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引 起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问 题。也就是说，说自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水 位）的变化所引起的问题。 2.土的问题 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身 的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的 影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变 化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿 成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑 坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。 二、土的渗透定理 1．层流渗透定律 层流：相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。 紊流：相邻两个水分子运动的轨迹杂乱无章而混流。 达西定律：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。 hi L h v = k = q = vA= kiA

V一渗透速度(cm/s或m/s) 沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次 h一试样两端的水位差，即水头损失(cm或m) L一渗径长度(cm或) K一渗透系数(cm/s或m/s,m/d) A一试样截面积(cm或者m2) (1)砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。 (②)密实的粘士，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。 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。 (③)粗粒土（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 )密实粘 e)辱土 2.土的渗透系数 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测 定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果 要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 室内测定土的渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为常水头试验 和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘 性土。 (1)常水头实验法：保持水头在整个实验过程中不变，用量筒和秒表测出某一 时刻t内流经试样的水量V,即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k k=hAt

V—渗透速度（cm/s 或 m/s） q—渗流量（cm 3 /s 后 m 3 /s） i—水力梯度，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(cm 或 m) L—渗径长度(cm 或 m) K—渗透系数（cm/s 或 m/s,m/d） A—试样截面积（cm 2或者 m 2） (1)砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。 (2)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。 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。 (3)粗粒土（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 2.土的渗透系数 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测 定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果 要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 室内测定土的渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为常水头试验 和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘 性土。 （1）常水头实验法：保持水头在整个实验过程中不变，用量筒和秒表测出某一 时刻 t 内流经试样的水量 V，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解 k hAt VL k =

(2)变水头实验法：在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，试样的一 端与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可 根据达西定律求出水的渗透系数。 “6品会 al 「试坑注水法：非饱和土 (3)现场渗透实验 抽水法：饱和土 渗透系数K作用： ①判断士的渗透性 ②选择坝体填筑土料的依据 ③坝身，坝茎，渠道等渗水量 ④分析堤坝，基坑边坡的渗透稳定性 ⑤粘土地基的沉降历时 3.影响土渗透性的主要因素 (1)土粒大小与级配 愈粗，愈均匀，愈浑圆，k则愈大 细粒土颗粒愈细，粘粒愈多，k愈小 (2)土的密实度 土愈密实，孔隙比愈小，k愈小 (3)水的温度： 水的动力粘滞系数随温度升高减小，k大 (4)封闭气体含量 渗透面积减小，k降低 为了试验的可靠性，要求土样必须充分饱和 三、渗流力与渗流稳定分析 1渗流力：渗流作用在单位土体中的颗粒上的作用力，或称动水力 j=名 渗流进口处：渗透力增大了土有效的作用，对土体稳定有利： 水平部位：使土粒产生向下游移动的趋势，对土体稳定不利： 出逸处：渗透力减轻了土有效重力的作用，对土体的稳定不利： 2.临界水力坡降：土体开始发生渗透变形时的水力坡降，它表示土抵抗渗透破坏 的能力，或称临界水头梯度

（2）变水头实验法：在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，试样的一 端与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可 根据达西定律求出水的渗透系数。 2 1 2 1 ( ) h h l A t t al k n − = 试坑注水法：非饱和土 （3）现场渗透实验 抽水法：饱和土 渗透系数 K 作用： ①判断土的渗透性 ②选择坝体填筑土料的依据 ③坝身，坝茎，渠道等渗水量 ④分析堤坝，基坑边坡的渗透稳定性 ⑤粘土地基的沉降历时 3.影响土渗透性的主要因素 （1） 土粒大小与级配 愈粗，愈均匀，愈浑圆，k 则愈大 细粒土颗粒愈细，粘粒愈多，k 愈小 （2） 土的密实度 土愈密实，孔隙比愈小，k 愈小 （3） 水的温度： 水的动力粘滞系数随温度升高减小，k 大 （4） 封闭气体含量 渗透面积减小，k 降低 为了试验的可靠性，要求土样必须充分饱和 三、 渗流力与渗流稳定分析 1.渗流力：渗流作用在单位土体中的颗粒上的作用力，或称动水力。 i l h j w w =  =  渗流进口处：渗透力增大了土有效的作用，对土体稳定有利； 水平部位：使土粒产生向下游移动的趋势，对土体稳定不利； 出逸处：渗透力减轻了土有效重力的作用，对土体的稳定不利： 2.临界水力坡降：土体开始发生渗透变形时的水力坡降，它表示土抵抗渗透破坏 的能力，或称临界水头梯度

,=￥.9-1s-x Y.e+1 Y 四、渗透破坏与控制 1.流土：在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生 悬浮、移动的现象称为流土。其发生一般是突发性的，对工程危害较大。 若ii,则土体发生流土。 2.管涌：在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流 失，随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐 带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。 粘性土：不会发生管涌破坏。 无粘性土：了Cu<10的均粒沙土，只可能出现流土破坏 CCu≥I0的砂土，既可能发生管涌，也可能产生流士 3.潜蚀：自然界中的渗透破坏作用。 「机械潜蚀：渗流的机械力将细土粒冲走而形成洞穴。 化学潜蚀：水流溶解了土中的易溶盐或胶结物使土变松散，细土粒被水冲走而 形成洞穴。 4.渗透破坏的防治 (1)防治流土的措施 ①上游做垂直惟幕 ②上游做防渗铺盖或铺设土工合成材料与坝体防渗体连接，以延长渗流途径、 降低下游逸出坡降。 ③水利工程中，下游挖减压沟或打减压井，贯穿渗透性小的粘性土层，以降 作用在粘性土层底面的渗透压力。 ④下游加透水盖重，以防止土粒被渗透力所悬浮。 ⑤土层加固处理，如冻结法。 ⑥基坑开挖时，采用井点降水法：设置饭桩，可增长渗透路径，减少水力坡 降：采用水下挖掘或枯水期开挖，也可进行土层加固处理。 (2)防止管涌的措施 ①改变水力条件，降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。 ②改变几何条件，在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层

w s sat w w cr e G i      − = + − = = 1 1 / 四、渗透破坏与控制 1.流土：在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生 悬浮、移动的现象称为流土。其发生一般是突发性的，对工程危害较大。 若 cr i  i ，则土体处于稳定状态，不发生流土； 若 cr i = i ，则土体处于临界状态； 若 cr i  i ，则土体发生流土。 2.管涌：在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流 失，随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐 带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象。 粘性土：不会发生管涌破坏。 无粘性土： Cu＜10 的均粒沙土，只可能出现流土破坏 Cu≥10 的砂土，既可能发生管涌，也可能产生流土 3.潜蚀：自然界中的渗透破坏作用。 机械潜蚀：渗流的机械力将细土粒冲走而形成洞穴。 化学潜蚀：水流溶解了土中的易溶盐或胶结物使土变松散，细土粒被水冲走而 形成洞穴。 4.渗透破坏的防治 （1）防治流土的措施 ①上游做垂直帷幕 ②上游做防渗铺盖或铺设土工合成材料与坝体防渗体连接，以延长渗流途径、 降低下游逸出坡降。 ③水利工程中，下游挖减压沟或打减压井，贯穿渗透性小的粘性土层，以降 低 作用在粘性土层底面的渗透压力。 ④下游加透水盖重，以防止土粒被渗透力所悬浮。 ⑤土层加固处理，如冻结法。 ⑥基坑开挖时，采用井点降水法；设置饭桩，可增长渗透路径，减少水力坡 降；采用水下挖掘或枯水期开挖，也可进行土层加固处理。 （2）防止管涌的措施 ①改变水力条件，降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。 ②改变几何条件，在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层