土的滲透性和滲流問題

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1、精品課程《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第四章土的滲透性和滲流問題本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：學(xué)習(xí)掌握土的滲透性（達(dá)西定律），掌握水頭、測(cè)管水頭、水力坡降的概念，熟悉滲透系數(shù)的測(cè)定方法，特別是層狀地基的等效滲透系數(shù)的確定。學(xué)會(huì)應(yīng)用二維滲流流網(wǎng)確定測(cè)管水頭、孔隙水壓力、水力坡降、滲透速度和滲透流量。滲透力和滲透變形是本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，掌握滲透力的計(jì)算方法，并能正確確定滲透變形類型。第一節(jié)概述土是由固體相的顆粒、孔隙中的液體和氣體三相組成的，而土中的孔隙具有連續(xù)的性質(zhì)，當(dāng)土作為水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料時(shí)，水就會(huì)在水頭差作用下從水位較高的一側(cè)透過(guò)土體的

2、孔隙流向水位較低的一側(cè)。滲透：在水頭差作用下，水透過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象滲透性：土允許水透過(guò)的性能稱為土的滲透性。水在土體中滲透，一方面會(huì)造成水量損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水土建筑物或地基的穩(wěn)定條件，甚者還會(huì)釀成破壞事故。此外，土的滲透性的強(qiáng)弱，對(duì)土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響。本章將主要討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律，以及滲透力滲透變形等問題。第二節(jié)土的滲透性一、土的滲透規(guī)律——達(dá)西定律(一)滲流中的總水頭與水力坡降液體流動(dòng)的連續(xù)性原理：（方程式）表明：通過(guò)穩(wěn)定總流任意過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁渴?/p>

3、相等的；或者說(shuō)是穩(wěn)定總流的過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉倥c過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e成反比。前提：流體是連續(xù)介質(zhì)流體是不可壓縮的；流體是穩(wěn)定流，且流體不能通過(guò)流面流進(jìn)或流出該元流。理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士數(shù)學(xué)家應(yīng)用動(dòng)能定理推導(dǎo)出來(lái)的。）飽和土體空隙中的滲透水流，也遵從伯努利方程，并用水頭的概念來(lái)研究水體流動(dòng)中的位能和動(dòng)能。水頭：實(shí)際上就是單位重量水體所具有的能量。按照伯努利方程，液流中一點(diǎn)的總水頭h，可以用位置水頭Z，壓力水頭U/rw和流速水11安徽理工大學(xué)精品課程《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第四章頭V2/2g之和表示，即4-1此方程式中各項(xiàng)的物理

4、意義均代表單位重量液體所具有的各種機(jī)械能，而其量綱都是長(zhǎng)度。教材P37圖22表示滲流在水中流經(jīng)A，B兩點(diǎn)時(shí)，各種水頭的相互關(guān)系。按照公式（4－1），A,B兩點(diǎn)的總水頭可分別表示為：式中：ZA，ZB：為A，B，兩點(diǎn)相對(duì)于任意選定的基準(zhǔn)面的高度，代表單位重量液體所具有的位能（位置高度）故稱Z為位置水頭。UA，UB：為A，B兩點(diǎn)的水壓力（空隙水壓力）。代表單位重量液體所具有的壓力勢(shì)能。而UA/rw，UB/rw則代表A，B兩點(diǎn)空隙水壓力的水柱高度。故稱U/rw為壓力水頭。VA，VB：為A，B兩點(diǎn)的滲流速度。g為重力加速度。V2/2g即代表單位重量

5、液體所具有的動(dòng)能，故稱V2/2g為流速水頭。HA,hB：為A，B兩點(diǎn)的單位重量液體所具有的機(jī)械能，故稱之為總水頭。?h：為A，B兩點(diǎn)之間的總水頭差，代表單位重量液體從A點(diǎn)向B點(diǎn)流動(dòng)時(shí)，為克服阻力而損失的能量。此外，稱為測(cè)管水頭，代表單位重量液體所具有的總勢(shì)能。當(dāng)土中滲流阻力大時(shí)，V一般都很小，形成的流速水頭V2/2g更小，可不計(jì)，這時(shí)，總水頭h,可用測(cè)管水頭來(lái)代替，即A,B兩點(diǎn)間的水頭損失，可用無(wú)量綱的形式來(lái)表示，即i：水力坡降L：為A，B兩點(diǎn)間的滲流途徑水頭損失h1的滲流長(zhǎng)度。(二)滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律土體中空隙的形狀和大小是極不規(guī)則的，

6、因而水在土體空隙中的滲透是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，由于土體中的空隙一般非常微小，水在土體中流動(dòng)時(shí)的粘滯阻力很大，流速緩慢，因此，其流動(dòng)狀態(tài)大多屬于層流。11安徽理工大學(xué)精品課程《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》第四章1956年，達(dá)西利用圖2－5(教材P40)所示試驗(yàn)裝置，對(duì)砂土的滲流性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水在土中的滲流速度與試樣兩端面間的水頭差成正比，而與滲流長(zhǎng)度成反比，于是他把滲流速度表示為：或這就是著名的達(dá)西定律，式中V：表示斷面平均滲透速度，單位：mm/sK：滲透系數(shù)，（mm/s）其物理意義是當(dāng)水力坡降i=1時(shí)的滲透速度。達(dá)西定律說(shuō)明：（1）在層流狀態(tài)的滲

7、流中，滲流速度V與水力坡降的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。或：砂土的滲透速度與水力坡降呈線性關(guān)系。（2）但對(duì)于密實(shí)的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此只有當(dāng)水力坡降達(dá)到某一數(shù)值，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。我們將這一開始滲透時(shí)的水力坡降稱為粘性土的起始水力坡降i.試驗(yàn)資料表明，密實(shí)的粘土不但存在起始水力坡降，而且當(dāng)水力坡降超過(guò)起始坡降后，滲透速度與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈線性關(guān)系。式中：指密實(shí)粘土的起始水力坡降。此外，試驗(yàn)也表明，在粗顆粒土中（如礫石，卵石），只見在小的水力坡降下，滲透速度與水力坡降才能呈線性

8、關(guān)系，而在較大的水力坡降下，水在土中的流動(dòng)即進(jìn)入紊流狀態(tài)，滲透速度與水力坡降呈非線性關(guān)系，此時(shí)達(dá)西定律不能適用。二．滲透系數(shù)的測(cè)定和影響因素(一)滲透系數(shù)的測(cè)定方法主要分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)兩大