2土的渗透性与达西定律.pptVIP

第二章 土体的渗透性与达西定律 土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土中水的运动原因和形式很多，主要有： （1）在重力作用下，地下水的渗流土的渗透性问题。 （2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出土的固结问题。 （3）由于表面张力作用产生的水份移动土的毛细现象。 （4）在电分子引力作用下，结合水的移动冻结时土中水的迁移。 （5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。 §3.1 土的毛细性 一、土的毛细现象定义 是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或其它方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水，对工程产生一定的影响。 二、 影响 （1）毛细水上升引起路基冻害。 （2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起地下室过分潮湿，需解决防潮问题。 §3.2 土的渗透性 土体内部存在大量的孔隙，而大部分孔隙是连通的。土孔隙中的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。 渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、变形问题一样，也是土力学中主要研究课题之一。 一、渗流的基本规律 （一）层流渗透定律（达西定律） 1．基本概念 （1）流线：水点的运动轨迹称为流线； （2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流； （3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。 一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。 2．达西定律(Darcy’s law) 法国学者达西（H·Darcy）于1856年通过砂土的渗透试验，发现了地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图所示。 L试样长（砂土）； A截面积； h水位差； t 时间（s）； Q试验开始t秒钟后盛水容器所接水量（cm3）。 则每秒钟渗透量 达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成： 则渗透速度（seepage velocity）（单位时间通过单位面积的水量） 式中：渗透速度，cm/s； i 水力坡降（水头梯度、水力梯度）； k渗透系数 (permeability coefficient) 由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。 在密实粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到电分子引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合水的抗拉强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib。这样在粘土中，达西定律为： V=k(i-ib) 式中: ib起始水头梯度（起始水力坡降）。 砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如上图（c）所示，需建立紊流情况下的公式关系。 3．渗透系数的确定方法: (1) 现场试验：抽水试验法、示踪剂法 (2) 室内试验：常水头法、变水头法 (3) 经验值 4．影响土渗透性的因素 （1）土的粒度成分 土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性越大。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。 （2）土的矿物成分 关于土的矿物成分对无粘性土的渗透性影响不大，但对于粘性土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。 （3）结合水膜厚度 粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。 （4）土的结构构造 天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。 （5）水的粘滞度 水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计，但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。 （6）土中气体 当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了土的渗透性。 二、动水力及渗流破坏 1．动水力 水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力T的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原理，