土的渗透性

土是一种多孔介质,由固体颗粒组成的骨架和充填骨架间孔隙的流体(水和空气)所组成(见土的工程性质)。骨架间的孔隙是连通的,孔隙中的流体可以在本身重力和其他外力作用下在孔隙中流动,这就是土中水的渗流运动。对土中水的渗透性的研究是土力学中一个重要课题。它与土的强度、变形等力学特性有紧密联系,土中水的渗透规律是土的本构定律的一个重要组成部分,在许多工程领域有广泛的应用。

土的渗透规律

土中水或空气可以在水头差、电位差、温度差、盐浓度差等势能作用下产生相应的渗流运动,其最终的合成运动就是这些个别运动的向量和。土力学中一般研究在水力梯度作用下孔隙水的渗流运动。

饱和土渗透规律

基本形式是法国工程师H.-P.-G.达西在1855年提出的,其表达式为

v=-Ki          (1)

即渗透流速v与水力梯度i呈线性关系。 比例常数K称为渗透系数,K值由干净砾石的101厘米/秒变化到纯粘土的小于10-9厘米/秒,相差达1010倍以上。

达西定律是均匀不可压缩流体的单向渗流运动方程。可用微分形式推广到二向和三向渗流。一般可以向量形式表达为

q=-Ki=-Kgradh       (2)

对不均匀流体、可压缩流体、多相流、非饱和渗流等条件下的运动方程,也常采用和达西定律相似的表达式。

土中水的渗流运动可分为层流和紊流两种基本类型,还有一个过渡区,各有不同的渗透规律。一般认为达西定律仅适用于层流区,其适用上限为层流区和过渡区的分界点。在层流区内的细粒土,由于土和土粒表面的相互作用,或细颗粒和气泡在孔隙中移动而使渗透性发生变化,也会使渗流偏离达西定律,尤以小流速、小比降时为甚,此即达西定律适用的下限。实验研究表明,除堆石体、排水体可能超过其适用上限,密实的高塑性粘土或细颗粒可能在孔隙中自由移动的土,也可能有偏离外,土力学中涉及的多数对象,都在达西定律适用范围之内。

超过达西定律上限的非线性规律可表达为

vGim   m=0.5~1.0    (3)

粘土偏离达西定律的非线性规律一般有两种形式,其一认为有一起始比降,小于它时无渗流;另一为v-i关系是通过原点的曲线,不存在起始比降。

非饱和土渗透规律

非饱和土孔隙中同时存在水和空气。高饱和度时,气相封闭在液相之间,形成气封闭系统,只有一个透水性Kw。中等饱和度时,气相和液相都是连通的,形成双开敞系统,有透水性Kw和透气性Ka两个渗透性,要用分别控制孔隙水和气压力的方法,保持渗透过程中结构和饱和度不变,分别予以测定。

流网及渗流

流网包括相互正交的两组曲线,一组是与水流途径相符合的流线,另一组为各点有相同水头的等势线。流网的性质:

(1)相邻流线间的每一流槽,通过的渗流量相同;

(2)两相邻等势线间的水头差相等;

(3)流线与等势线正交;

(4)对均匀土而言,由相邻流线与等势线围成极为近似的正方形;

(5)流网的任一点,等势线间距与水力梯度成反比,而流线间距则与渗透速度成正比。因此,可从流网计算各点的水力梯度、作用水头和渗透水压力,供稳定分析和渗流控制设计之用。

流网图可以用模拟试验和数值计算方法求得,对简单边界条件,也可用理论分析求解,甚至用目测绘制。

图

土的渗透稳定性

在一定渗透梯度下,无粘性土中的细颗粒随渗透水流移动并带出边界面,或边界上小块土体整体浮动的现象,称土体的渗透变形,前者称管涌,后者称流土,是土体渗透破坏的主要形式,并以临界水力梯度作为判别标准。均匀粉细砂、缺乏中间粒径的砂砾料等,渗透稳定性是较差的。

粘性土渗透破坏的主要形式是边界面上的剥落和沿裂缝的冲刷。其抵抗渗透破坏的能力与粘土矿物、物理化学和结构特性等密切相关:具有稳定胶结的团粒粘土的渗透稳定性好,而不稳定胶结的分散性粘土的渗透稳定性差。

为了保护土体不在边界面上发生管涌、流土、接触冲刷、接触流土等形式的渗透变形现象,常常采用反滤层的工程措施,使渗透水可以自由流出土体,而不将土粒带走,从而提高抗渗能力。70年代以来,用土工织物作为反滤层已逐渐推广应用。

水力劈裂

土体中某点的外加水压力大于该点的小主应力与抗拉强度之和时,即将开裂而使水的渗流量大大增加,而在水压力降低到一定数值时又重新闭合的现象称水力劈裂效应。

在用原位注水试验测定渗透系数时,水压力不应引起土体的水力劈裂,以免得到偏大结果,也不能单纯用钻孔失水作为土体中存在裂缝的佐证。水力劈裂现象还可用以测定原位土体的侧压力,用劈裂灌浆处理不可灌土体等。