第4章 土的滲透性與土中滲流

1、第4章土的滲透性與土中滲流土的滲透性與土中滲流4.1概述概述我們在現(xiàn)場挖土時常?？吹?，只要土坑低于地下水位，水要源源不斷滲出，給施工帶來不便，為此常要抽水機抽水來保證施工，水能從土體中滲出原因在于，土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)，水能在水頭差作用下，從水位較高的一側(cè)透過土體的孔隙流向水位較低的一側(cè)。在水頭差作用下，水透過土體孔隙的流動現(xiàn)象稱為滲透，而土體允許水透過的性能則稱為土的滲透性。研究土的滲透性，是土力學中極其重要的課題，這是由于：①土是

2、具有連續(xù)孔隙的多孔介質(zhì)，與其它所有材料的物理性質(zhì)常數(shù)的變化范圍相比，土的滲透性的變化范圍要大得多。實際上，干凈礫石的滲透系數(shù)k值可達30cms，純粘土的k值可以小于109cms，相差可達1010倍以上。其他物理性質(zhì)參數(shù)變化沒有這么大。②土的三個主要力學性質(zhì)即強度、變形和滲透性之間，有著密切的相互關系。在土力學理論中，用有效應力原理將三者有機地聯(lián)系在一起，形成一個理論體系。因此滲透性的研究已不限于滲流問題自身的范疇。例如，控制土在荷重下變

3、形的時間過程的滲透固結階段，其變形速率就取決于土的滲透性；用有效應力原理研究土的強度和穩(wěn)定性時，土的孔隙壓力消散和有效應力的增長控制著土體強度隨時間而增長的過程，而孔隙壓力消散速度又主要取決于土的滲透性、壓縮性和排水條件。在無粘性土的動力穩(wěn)定性和振動液化的試驗研究中，也發(fā)現(xiàn)其它條件相同時，滲透性小的土比滲透性大的土更易于液化。③土木工程各個領域內(nèi)許多課題都與土的滲透性有密切關系。水在土體中滲透，一方面會造成水量損失（如水庫），影響工程效

4、益，另一方面會引起土體內(nèi)部應力狀態(tài)的變化，如基坑開挖可能會造成基坑坑壁失穩(wěn)、管涌、流砂等現(xiàn)象，使原有建筑物破壞或施工不便。圖41地下水類型圖42達西定律示意圖需要說明的是，在達西定理的表達式中，采用了兩個基本假設：①由于土試樣斷面內(nèi)，僅顆粒骨架間的孔隙是滲水的，而沿試樣長度的各個斷面，其孔隙大小和分布是不均勻的。達西采用了以整個土樣斷面積計的假想滲流速度，或單位時間內(nèi)土樣通過單位總面積的流量，而不是土樣孔隙流體的真正流速；②土中水的實際

5、流程是十分彎曲的，比試樣長度大得多，而且也無法知道。達西考慮了以試樣長度計的平均水力梯度，而不是局部的真正水力梯度。這樣處理就避免了微觀流體力學分析上的困難，得出一種統(tǒng)計平均值，基本上是經(jīng)驗性的宏觀分析，但不影響其理論和實用價值，故一直沿用到今。由于土中的孔隙一般非常微小，在多數(shù)情況下水在孔隙中流動時的粘滯阻力很大、流速緩慢，因此，其流動狀態(tài)大多屬于層流（即水流線互相平行流動）范圍。此時土中水的滲流規(guī)律符合達西定律，所以達西定律也稱層流

6、滲透定律。但以下二種情況被認為超出達西定律的適用范圍：一種情況是在粗粒土（如礫、卵石等）中的滲流（如堆石體中的滲流），且水力梯度較大時，土中水的流動已不再是層流，而是紊流。這時，達西定律不再適用，滲流速度v與水力梯度i之間的關系不再保持直線而變?yōu)榇尉€性的曲線關系（圖43c），層流與紊流的界限，即為達西定律適用的上限。該上限值目前尚無明確的方法確定。不少學者曾主張用臨界雷諾數(shù)Re作為確定達西定律上限的指標，也有的學者（A.R.Jumiki