土的渗透性与土中渗流

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1、第4章土的渗透性与土中渗流4.1概述我们在现场挖土时常常看到，只要土坑低于地下水位，水要源源不断渗出，给施工带来不便，为此常要抽水机抽水来保证施工，水能从土体中渗出原因在于，土是具有连续孔隙的介质，水能在水头差作用下，从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。在水头差作用下，水透过土体孔隙的流动现象称为渗透，而土体允许水透过的性能则称为土的渗透性。研究土的渗透性，是土力学中极其重要的课题，这是由于：①．土是具有连续孔隙的多孔介质，与其它所有材料的物理性质常数的变化范围相比，土的渗透性的变化范围要大得

2、多。实际上，干净砾石的渗透系数k值可达30cm/s，纯粘土的k值可以小于10-9cm/s，相差可达1010倍以上。其他物理性质参数变化没有这么大。②．土的三个主要力学性质即强度、变形和渗透性之间，有着密切的相互关系。在土力学理论中，用有效应力原理将三者有机地联系在一起，形成一个理论体系。因此渗透性的研究已不限于渗流问题自身的范畴。例如，控制土在荷重下变形的时间过程的渗透固结阶段，其变形速率就取决于土的渗透性；用有效应力原理研究土的强度和稳定性时，土的孔隙压力消散和有效应力的增长控制着土体强度随时间而增长的过

3、程，而孔隙压力消散速度又主要取决于土的渗透性、压缩性和排水条件。在无粘性土的动力稳定性和振动液化的试验研究中，也发现其它条件相同时，渗透性小的土比渗透性大的土更易于液化。③．土木工程各个领域内许多课题都与土的渗透性有密切关系。水在土体中渗透，一方面会造成水量损失（如水库），影响工程效益，另一方面会引起土体内部应力状态的变化，如基坑开挖可能会造成基坑坑壁失稳、管涌、流砂等现象，使原有建筑物破坏或施工不便。图4-1地下水类型渗透一般是地下水造成的，存在于地面以下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水，称为地下水；反之

4、，分布在江河、湖泊、海洋内的液态水，或在陆地上的冰、雪，称为地表水。地下水按其埋藏条件，可分上层滞水、潜水和承压水三种。上层滞水：存在于地面以下局部不透水层上面的滞水，分布范围有限，是季节性或临时性的水源。潜水：埋藏于地面以下第一个隔水层以上具有自由水面的地下水。潜水面的标高称为地下水位，潜水面的形状与地形起伏相适应，潜水的存在，常给基础施工带来较多困难。在潜水位以下开挖基坑时有涌水、排水问题；建筑物的地下室则有防水渗漏和水压力计算问题。承压水：充满于两个隔水层之间的含水层中，承受有超静水压力的地下水。承压

5、水不易被污染，可作供水水源。但基坑开挖时遇到承压水，由于水压的影响，易使地基隆起甚至破坏。本章主要研究土的渗透规律及渗透对土体的破坏。4.2土的渗透性4.2.1达西定律水可以通过土体渗透，亦即土具有渗透性，土的渗透性与什么有关呢？早在1856年，法国学者达西（Darcy）根据砂土渗透试验（图4-2），发现水的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比。于是他把渗透速度表示为：（4-1a）或渗流量表示为：(4-1b)这就是著名的达西定律。式中v—渗透速度()；h—试样两端的水头差（）；L—

6、渗透路径（）；—水力梯度，无因次；k—渗透系数()，其物理意义是当水力梯度时的渗透速度；q—渗流量()；A—试样截面积()。图4-2达西定律示意图需要说明的是，在达西定理的表达式中，采用了两个基本假设：①．由于土试样断面内，仅颗粒骨架间的孔隙是渗水的，而沿试样长度的各个断面，其孔隙大小和分布是不均匀的。达西采用了以整个土样断面积计的假想渗流速度，或单位时间内土样通过单位总面积的流量，而不是土样孔隙流体的真正流速；②．土中水的实际流程是十分弯曲的，比试样长度大得多，而且也无法知道。达西考虑了以试样长度计的平均

7、水力梯度，而不是局部的真正水力梯度。这样处理就避免了微观流体力学分析上的困难，得出一种统计平均值，基本上是经验性的宏观分析，但不影响其理论和实用价值，故一直沿用到今。由于土中的孔隙一般非常微小，在多数情况下水在孔隙中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流（即水流线互相平行流动）范围。此时土中水的渗流规律符合达西定律，所以达西定律也称层流渗透定律。但以下二种情况被认为超出达西定律的适用范围：一种情况是在粗粒土（如砾、卵石等）中的渗流（如堆石体中的渗流），且水力梯度较大时，土中水的流动已不

8、再是层流，而是紊流。这时，达西定律不再适用，渗流速度v与水力梯度i之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线关系（图4-3c），层流与紊流的界限，即为达西定律适用的上限。该上限值目前尚无明确的方法确定。不少学者曾主张用临界雷诺数Re作为确定达西定律上限的指标，也有的学者（A.R.Ju-mikis）主张用临界流速vcr来划分这一界限。另一种情况是发生在粘性很强的致密粘土中。不少学者对原状粘土所进行的试验表明这类土的渗