土力学2.土的渗透性与渗透问题

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1、第二章土的渗透性与渗透问题。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.位置水头z2.压力水头u/w3.流速水头v2/2g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

2、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。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/Li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

3、和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即写成等式为：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i＝1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，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。(

4、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

5、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。三、层状地基的等效渗透系数大多数

6、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。等效渗透系数的大小与水流的方向有关。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流量之和，即将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：(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(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，即将达西定律代入上式可得

7、沿竖直方向的等效渗透系数kz：四、渗透力和渗透变形(一)渗透力实验验证当hl＝h2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取土—水为整体作