一、土的渗透规律
在层流状态下,土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律——即Darcy定律(1856)。该定律认为,渗出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比,且与土的透水性质有关,其表达式为:
式中:v--渗透速度(cm/s);k--渗透系数(cm/s)。
渗透系数是反映土的透水性能的比例系数,是水力梯度为1时的渗透速度,其量纲与渗透速度相同。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。
不同类型的土,其渗透系数不同,可查阅 土的渗透系数参考值表(表2-5)。
1.砂土、粉土的渗透规律
基本属于层流,故其渗透规律服从达西定律(见图2-4a)。
2.纯砾以上很粗的土的渗透规律
水力梯度较大时,水在这类土中的流态已不再是层流,而是紊流。这时达西定律不适用,渗透速度与水力梯度之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线(见图2-4b)。
3.粘性土的渗透规律
目前对饱和均质粘性土中水的渗透规律有着不同的认识。如图2-4c所示的渗透规律曲线可大致反映粘性土的渗透规律。
a-砂、粉土; b-纯砾以上很粗的土; c-粘性土
图2-4 土的渗透曲线
二、渗透力
流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力称为渗透力,用j表示。
渗透力是一种体积力,单位为kN/m3,其大小和水力坡降成正比,方向与渗流方向一致。
渗透力方向与重力方向一致时,渗透力对土骨架起渗流压密作用,对稳定有利;渗透力方向与重力方向相反时,渗透力对土骨架起浮托作用,对稳定不利。
三、临界水力坡降
当向上的渗流力克服了重力,土体就要发生浮起,俗称流土。此时的水力坡降就称为临界水力坡降,用icr表示,根据土骨架的静力平衡条件可推得:
土的临界水力坡降取决于土的物理性质指标——浮重度γ′,由此可得
四、渗透变形
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。
渗透变形的基本型式为流土和管涌。
1、流土(Flowing soil) 指在向上的渗透水流作用下,表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。
判断流土的可能性
2、管涌 (Piping) 指在渗透水流的作用下,土中的颗粒被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体坍塌的现象。
一般粘性土只会发生流土,而不会发生管涌,属于非管涌土。
无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时,才可能让细颗粒在其中移动,这是发生管涌的必要条件
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无粘性土是否发生管涌的判别标准为(几何条件):
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发生管涌的水力条件:
表2-6 发生管涌的条件