1、土的渗透性和土中渗流 当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。渗 流：水在土体中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。 渗透研究的内容： 1. 渗流量问题。 2. 渗透变形(渗透破坏)问题 3. 渗流控制问题土的渗透性 一、土的渗透定律 达西定律（H.Darcy,1856） (一) 渗流中的总水头与水力坡降 液体流动必须满足的条件： 连续原理 液流的能量方程，即伯努里(D Bernoulli)方程 为了研究的方便，常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。 水头：单位重量水体所具有的能量。 按照伯努里方程，液流中一点的总水头 由三部分组成： 1
2、. 位置水头 z 2. 压力水头 u/w 3. 流速水头 v2/2gh=z+u/w+v2/2g 由于土中渗流阻力大，流速 v 在 一般情况下都很小，因而形成的 流速水头很小，可以忽略。测管水头：位置水头与压力水头之和 h= z+ u/w 测管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能 伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出： (1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全是由总水头差决定。只有当两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点 流动。 (2)由于土中渗流阻力大，故流速 v 在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。渗流中任一点的总水头就可用测管水头来代替
3、。 水力坡降 由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即 i=h/L i 称为水力坡降，L 为两点间的渗流路径， 水力坡降的物理意义为单位渗流长度上的水头损失。(二) 达西定律与渗透试验 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现,渗出量 Q 与圆筒断面积 A 和水力坡降 i 成正比，且与土的透水性质有关。即LhQ写成等式为： ，kikiAQv上式称为达西定律。 式中，v断面平均渗透速度，单位 mm/s 或 m/day； k反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力 坡降 i1 时的渗透速度，故其量纲
4、与流速相同， mm/s 或 m/day。渗透流速 v 并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。显然，土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积 Av 应小于 A，从而实际平均流速认应大于 v。一般称 v 为假想渗流速度 v 与 vs的关系可通过水流连续原理建立: Vs= v/n 为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。 (三)达西定律的适用范围 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，即渗流速度 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
5、届于层流范围，故达西定律均可适用。 二、渗透系数的测定和影响因素 渗透系数 k 是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，A 值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (一)渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。 1实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数 k 的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。 2现场测定法 现场研究场地的渗透性，进行渗透系数 k 值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。 常水头试验 适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。 变水
6、头试验 适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确测定。(二)影响渗透系数的因素 1土的性质对 k 值的影响 (1)粒径大小与级配；(2)孔隙比；(3) 矿物成分；(4)结构；(5)饱和度。 尤以前两项，即粒径大小和孔隙比对 k 的影响最大。 2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。Five interesting points: 1. The velocity head in soil is negligible 2. All head i
7、s lost in soil 3. Negative pore pressure can exist 4. Direction of flow determined by total head difference 5. Method of head determination * Determine elevation and total head * Compute the desired pressure head from then two 三、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。等效方法： 等效厚度等于各土层之和。 等效渗透系数
8、的大小与水流的方向有关。土 的 渗 透 系 数 范 围 土 的 类 型 渗 透 系 数 k(cm/s) 砾 石 、 粗 砂 a10-1 a10-2 中 砂 a10-2 a10-3 细 纱 、 粉 沙 a10-3 a10-4 粉 土 a10-4 a10-6 粉 质 粘 土 a10-6 a10-7 粘 土 a10-7 a10-10 层 状 土 层 单 一 土 层厚 度 等 效渗 透 系 数 等 效层状土的渗流 (一)水平向渗流 水平渗流的特点： (1)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。 (2)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
9、流量之和，即 nixxx qq1321将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数 kx： inixHk1(二)竖直向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速 相同，即 vv321(2)流经等效土层 H 的总水头损失 h 等于各层上的水头损失之和，即 niih1321将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数 kz：nizkh1四、渗透力和渗透变形 (一)渗透力 实验验证 当 hlh2 时，土中水处于静止状态，无渗流发生， 贮水器向上提升，使 hl h2，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差 h 是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对
10、水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j 表示。渗透破坏试验 渗透力概念1.土体受力分析 方法一 取土水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力： (1) 土水总重星 W satL； (2) 土柱两端的边界水压力 w hw 和 w h1； (3) 土柱下部滤网的支 承反力 R。 在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中不出现。 方法二 把土骨架和水分开来取隔离体。 作用在土骨架隔离体上的力： (1) 土粒有效重量 W L； (2) 总渗透力 JjL,方向竖直向上； (3) 下部支承反力 R
11、。 作用在孔隙水隔离体上的力： (1) 孔隙水重量和土粒浮力的反力之和， WwVv w + VS w wL (2) 土柱两端的边界水压力 w hw 和 w h1； (3) 土柱内土粒对水流的阻力，其大小应和渗透力 相等，方向相反。则总阻力 J j L。2.渗透力的计算考虑水体隔离体的平衡条件，可得： iLhhjjLJwww)(11故渗透力 j = j= w i 从上式可知，渗透力是一种体积力，量纲与 w 相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。 (二)临界水力坡降 若左端的贮水器不断上提，则 h 逐渐增大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。当 h 增大到某一数值，向上的渗透
12、力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 土体处于流土的临界状态时的水力坡降 ic 值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土时，土柱压在滤网上的压力 R0，故 WJR0 即 L jL0 所以 j w ic 从而 ic / w 上式中的 ic 为临界水力坡降，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。用土水整体隔离体推导临界水力坡降 已知土的浮容重 eGws1)(则 ic 为isc式中 Gs、e 分别为土粒比重及土的孔隙比。由此可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质。 二、土的渗透变形(或称渗透破坏 ) 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形 (或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现 集中渗流通道等。 (一)渗透变形的类型 土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。 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。只要水力坡降达到一定的大小，都会 发生流土破坏。
