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第3章土的渗透性和渗流 3 1概述 主要内容 土的渗透性和渗透规律研究对象 饱和土体 土中的水并非处于静止不变的状态 而是运动着的 土的渗透性问题土的固结问题土的毛细现象冻结时水分移动 河滩路堤下的渗流 3 2土的渗透性和渗流定律3 2 1渗透性土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象 渗流模型基本假定 不考虑渗流路径的迂回曲折 只分析它的主要流向 图3 1渗流模型 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满 同一过水断面 渗流模型的流量等于真实渗流的流量 图3 1渗流模型 任一界面上 渗流模型的压力与真实渗流的压力相等 相同体积内 渗流模型所受阻力与真实渗流相等 1 渗流速度断面面积为A 通过的渗透流流量为q 则平均流速为 v q A真实渗流仅发生在孔隙面积 A内 因此真实流速为 v0 q A于是v v0 A A n 模型的平均流速要小于真实流速 能量是用水头来表示 Bernoulli sEquation 2 水头 如果忽略流速的影响 则 3 水头差 A点与B点 水力梯度 单位流程总水头的变化 4 水力坡降 水头的大小随选取的基准面不同而不同 注意 最关心的不是水头而是水头差 水在土中的渗流是从高水头向低水头流动 例3 1 求 1 截面的位置水头 压力水头和总水头 2 截面之间的水头损失和水力梯度 解 总水头变化 水力梯度 法国学者达西 Darcy 砂土实验结果 1852 1855 渗透速度与水头梯度成正比 v ki或q kiA式中 v 渗透速度 m s i 水头梯度 k 渗透系数 m s q 渗透流量 m3 s A 截面积 图3 4Darcy渗透定律 3 2 2Darcy渗透定律 例题3 2两种土 土样1位于土样2的上部 长度都是20cm 总水头损失40cm 土样l渗透系数为0 03cm s 土样2水力坡降为0 5 求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降 图3 4Darcy渗透定律 解 水头损失之和等于总水头损失 h1 h2 h 40cm根据水力坡降的概念 有i2 h2 L2 0 5 而L2 20cm得 h2 10cm h1 h h2 40 10 30cm 解 土样1的水力坡降i1 h1 L1 1 5水在土样1和土样2中渗流时的速度相同 v k1i1 k2i2得k2 0 09cm s 图3 4Darcy渗透定律 例题3 2两种土 土样1位于土样2的上部 长度都是20cm 总水头损失40cm 土样l渗透系数为0 03cm s 土样2水力坡降为0 5 求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降 达西定律只适用于层流适用于中砂 细砂 粉砂等粗砂 砾石 卵石等粗颗粒土不适合 图3 5水力坡度与渗流速度关系 3 2 3Darcy定律适用范围 粘土不完全符合达西定律 需进行修正 图3 6砂土和粘土的渗透规律 粘土中存在起始水头梯度i0修正后 v k i i0 图3 6绘出砂土与粘土的比较 关于起始水力坡降是否存在也有不同观点 3 2 4渗透系数的测定 1 常水头渗透试验 图3 7常水头渗透试验 则得 故渗透系数为 截面积为A 流径L 压力水头维持不变 试验开始时 水自上而下流经土样 待渗流稳走后 测得水量Q 同时读得a b两点水头差 h 常水头渗透试验装置 2 变水头渗透试验 图3 8变水头渗透试验 土样的截面积A 高度为L储水管截面积为a试验开始储水管水头为h0经过时间t后降为h1时间dt内水头降低dh 水量为 dQ adh另外dQ kiAdt k h L Adt 流入和流出相等 adh k h L Adt 由此求得渗透系数 整理并积分得 即 变水头渗透试验装置 3 现场抽水试验 图3 9抽水试验 粗颗粒土或成层的土 室内试验时不易取得原状土样 小土样不能反映天然土层的结构性 现场方法 野外注水试验和野外抽水试验等 抽水量为Q观测孔距离分别为rl和r2 水位高度h1和h2r处水面高度h 过水断面A 2 rh 图3 9抽水试验 图3 9抽水试验 即 两边积分 故渗透系数为 分析表3 1渗透系数值 可见 不同土类的渗透系数值差异很大 表3 1渗透系数参考值 渗透系数的测定十分重要 1 土的粒度成分及矿物成分 2 结合水膜厚度 3 土的结构构造 4 水的粘滞度 4 影响土的渗透性的因素 3 3渗流破坏和控制3 3 1渗透力的计算 a 水土整体 b 土骨架 c 水图3 10土颗粒和水受力示意图 它是体积力 概念 水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力 计算原理 a 水土整体 b 土骨架 c 水 1 沿流线方向取一截面积为A 长为L的土样 2 讨论作用在土样上的力 a 水土整体 b 土骨架 c 水 水土整体 a 流入面的静水压力 whlAb 流出面的静水压力 wh2Ac 土样重力在流线上的分量Fw satLAd 土样底面所受的反力p其中 h2 hl L h 土骨架 a 水土整体 b 土骨架 c 水图3 10土颗粒和水受力示意图 a 土骨架所受浮重力F w LAb 总渗透力J jLA 方向向下c 土样底面所受的反力p 水 a 孔隙水重量和土粒浮力反力之和F w wLA b 流入面和流出面的静水压力 whlA和 wh2A c 土粒对水的阻力J 大小与渗透力相同 方向相反 3 力的平衡条件 水体的平衡 总渗透力为 考察土样中的水在垂直方向的受力平衡 则 whlA wLA wh2A J jLA 注意 wLA为孔隙水重量和土粒浮力反力之和 将h2 h1 L h代入上式 得渗透力为 即jL w h1 L h2 结论 渗透力是水流对单位体积土体颗粒的作用力 是一种体积力渗透力的大小与水力坡降成正比 方向与渗流方向一致 临界水力坡降 渗透力j与有效重度大小相等 方向相反时 土颗粒之间的压力为零 即 j wi sat w 考察图3 11 b 中一土单元 于是可定义 工程中常用icr来评价土体是否发生渗透破坏 当j wi 时 土颗粒之间的压力为零 3 3 2土的渗透变形和防治措施 流土现象 当土颗粒间的接触压力为零 土颗粒处于悬浮状态而失去稳定 向上渗流 管涌现象 土中的一些细小颗粒在渗透力作用下 通过粗颗粒的孔隙被水流带走 图3 12流土示意图 比较和区别 流砂现象发生在土体表面渗流