[拼音]:tu de shentouxing
[外文]:seepage behaviour of soil
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
v=Gim 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。
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。