土的滲透性與達(dá)西定律

1、 第二章第二章 土體的滲透性與達(dá)西定律土體的滲透性與達(dá)西定律n土中水并非處于靜止不變的狀態(tài)，而是在不停的運動著。土中水的運動原因和形式很多，主要有：（1）在重力作用下，地下水的滲流-土的滲透性問題。（2）土在附加應(yīng)力作用下孔隙水的擠出-土的固結(jié)問題。（3）由于表面張力作用產(chǎn)生的水份移動-土的毛細(xì)現(xiàn)象。（4）在電分子引力作用下，結(jié)合水的移動-凍結(jié)時土中水的遷移。（5）由于孔隙水溶液中離子濃度的差別產(chǎn)生的滲附現(xiàn)象等。3.1 土的毛細(xì)性土的毛細(xì)性一、一、土的毛細(xì)現(xiàn)象定義土的毛細(xì)現(xiàn)象定義 是指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上或其它方向移動的現(xiàn)象。這種細(xì)微孔隙中的水被稱為毛細(xì)水，對工程產(chǎn)生一定的

2、影響。二、二、 影響影響（1）毛細(xì)水上升引起路基凍害。（2）對于房屋建筑，毛細(xì)水上升會引起地下室過分潮濕，需解決防潮問題。3.2 土的滲透性土的滲透性n土體內(nèi)部存在大量的孔隙，而大部分孔隙是連通的。土孔隙中的自由水在位勢差作用下發(fā)生運動的現(xiàn)象，稱為土的滲透性。n滲透性是土的重要工程性質(zhì)之一。與土的強度、變形問題一樣，也是土力學(xué)中主要研究課題之一。 一、滲流的基本規(guī)律一、滲流的基本規(guī)律（一）層流滲透定律（達(dá)西定律）（一）層流滲透定律（達(dá)西定律）1基本概念基本概念（1）流線）流線：水點的運動軌跡稱為流線；（2）層流）層流：如果流線互不相交，則水的運動稱為層流；（3）紊流）紊流：如果流線相交，水中發(fā)

3、生局部旋渦，則稱為紊流。n一般土（粘性土及砂土等）的孔隙較小，水在土體流動過程中流速十分緩慢，因此多數(shù)情況下其流動狀態(tài)屬于層流。2達(dá)西定律達(dá)西定律(Darcys law)n法國學(xué)者達(dá)西（HDarcy）于1856年通過砂土的滲透試驗，發(fā)現(xiàn)了地下水的運動規(guī)律，稱為達(dá)西定律。試驗裝置下圖所示。 L-試樣長（砂土）； A-截面積； h-水位差； t -時間（s）； Q-試驗開始t秒鐘后盛水容器所接水量（cm3）。則每秒鐘滲透量達(dá)西發(fā)現(xiàn)，q與A、h成正比，與L成反比，則寫成：則滲透速度（seepage velocity）（單位時間通過單位面積的水量）式中：滲透速度，cm/s； i -水力坡降（水頭梯度、

4、水力梯度）； k-滲透系數(shù) (permeability coefficient) 由于達(dá)西定律只適用于層流的情況，故一般只適用于中砂、細(xì)砂、粉砂等。 在密實粘土中，土顆粒周圍存在著結(jié)合水，結(jié)合水因受到電分子引力的作用而呈現(xiàn)粘滯性。因此，粘土中自由水的滲流受到結(jié)合水的粘滯作用產(chǎn)生很大的阻力，只有克服結(jié)合水的抗拉強度后才能開始滲流。我們將克服此抗拉強度所需要的水頭梯度，稱為粘土的起始水頭梯度ib。這樣在粘土中，達(dá)西定律為： V=k(i-ib) 式中: ib-起始水頭梯度（起始水力坡降）。 礫類土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，滲透速度與水力坡降才呈線性關(guān)系，而在較大的水力坡降下，水在土中的流動進(jìn)

5、入紊流狀態(tài)，呈非線性關(guān)系，此時達(dá)西定律不能適用，如上圖（c）所示，需建立紊流情況下的公式關(guān)系。3滲透系數(shù)的確定方法滲透系數(shù)的確定方法:(1) 現(xiàn)場試驗：抽水試驗法、示蹤劑法(2) 室內(nèi)試驗：常水頭法、變水頭法(3) 經(jīng)驗值4影響土滲透性的因素影響土滲透性的因素（1）土的粒度成分）土的粒度成分 土顆粒越大、越渾園、越均勻、級配越差時，滲透性越大。反之，滲透性越小，例如，砂土中含有較多粘土及粘土顆粒時，其滲透系數(shù)就大大降低。（2）土的礦物成分）土的礦物成分 關(guān)于土的礦物成分對無粘性土的滲透性影響不大，但對于粘性土的滲透性影響較大。粘性土中含有親水性礦物（如蒙脫石）或有機質(zhì)時，由于它們具有很大的膨脹

6、性，就大大降低了土的滲透性，含有大量有機質(zhì)的淤泥幾乎是不透水的。（3）結(jié)合水膜厚度）結(jié)合水膜厚度 粘性土中若土粒的結(jié)合水膜厚度較厚時，會阻塞土的孔隙，降低土的滲透性。（4）土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造）土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造 天然土層通常是各向異性的，在滲透性方面往往也是如此。如黃土具有豎直方向的大孔隙，所以豎直方向的滲透系數(shù)要比水平方向大得多。層狀粘土常夾有薄的粉砂層，它在水平方向的滲透系數(shù)要比豎直方向大得多。（5）水的粘滯度）水的粘滯度 水在土中的滲透速度與水的重度及粘滯度有關(guān)，而這兩個數(shù)值又與溫度有關(guān)。一般水的重度隨溫度變化很小，可略去不計，但水的粘滯系數(shù)隨溫度的升高而降低，從而增加了水的滲透性。 （6）土中氣體

7、）土中氣體 當(dāng)土中存在封閉氣泡時，會阻塞水的滲透，從而降低了土的滲透性。二、動水力及滲流破壞二、動水力及滲流破壞1動水力動水力 水在土中滲流時，受到土顆粒的阻力T的作用，這個力的作用方向與水流方向相反。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，水流也必須有一個相等的力作用在土的顆粒上，我們把水在土中滲流時，對單位體積土骨架所產(chǎn)生的作用力稱為動水在土中滲流時，對單位體積土骨架所產(chǎn)生的作用力稱為動水力水力GD（kN/m3）。 GD=iwn*總結(jié)總結(jié)：動水力是一個滲透力，是地下水在滲流過程中對單位體積土骨架所產(chǎn)生的作用力，其大小與水力坡降成正比，其方向與滲流方向一致。2流砂流砂 當(dāng)水流向下流動時，動水力方向與

8、重力方向一致，使土顆粒壓得更加緊密，對工程有利。反之，當(dāng)水流向上滲流時，動水力的方向與重力方向相反。當(dāng)動水力GD的數(shù)值等于或大于土的浮重度r時，土體顆粒間的壓力就等于零，土顆粒將處于懸浮狀態(tài)而失去穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為流砂。 即流砂產(chǎn)生的條件為 GD 或： i/w 令 icr= /w 稱為臨界水力坡降（臨界水頭梯度），只要實際水力坡降臨界水力坡降，就會產(chǎn)生流砂。 容許水力坡降容許水力坡降（取安全系數(shù)K2.02.5），設(shè)計時滲流逸出處的水力坡降應(yīng)滿足如下要求： 流砂現(xiàn)象主要發(fā)生在細(xì)砂、粉砂及粉土等土層中。對于飽和的低塑性粘性土飽和的低塑性粘性土，當(dāng)受到擾動時，一般會發(fā)生流砂現(xiàn)象，而在粗顆粒和粘土中則

9、不易發(fā)生。 多發(fā)生在土體表面（表層）滲流逸出處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。 舉例：舉例：基坑開挖排水時，常采用排水溝排水溝明排地下水的方法。此時地下水流動的方向向著基槽，由于基槽中土體已挖除，形成臨空面，在動水力的作用下可能產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。這時，坑底土邊挖邊隨水涌出，無法清除，站在坑底的人和放置的施工設(shè)備也會陷下去。由于坑底土隨水涌入基坑，使坑底土的結(jié)構(gòu)破壞，強度降低，將來會使建筑物產(chǎn)生附加沉降。 一般情況下，施工前應(yīng)做好周密地勘測工作，當(dāng)基坑底面的土層屬于容易引起流砂現(xiàn)象的土質(zhì)時，應(yīng)避免采用排水排水溝溝明排地下水，而應(yīng)采用人工降低地下水位（井點降水）的方法進(jìn)行施工。井點降水井點降水 3管涌：管涌：在滲流作用下，無粘性土體中的細(xì)小顆粒，通過粗大顆粒的孔隙，發(fā)生移動或被帶走的現(xiàn)象。 長期管涌的結(jié)果會形成地下水洞，土洞由小逐漸擴大，可導(dǎo)致地表塌陷。如美國的伯明翰市。 河灘路堤兩側(cè)有水位差時，在路堤內(nèi)或基底土