2 土的渗透性与达西定律

形成临空面，在动水力的作用下可能产生流砂现象。这时，
坑底土边挖边随水涌出，无法清除，站在坑底的人和放置的 施工设备也会陷下去。由于坑底土随水涌入基坑，使坑底土 的结构破坏，强度降低，将来会使建筑物产生附加沉降。 一般情况下，施工前应做好周密地勘测工作，当基坑底 面的土层属于容易引起流砂现象的土质时，应避免采用排水 沟明排地下水，而应采用人工降低地下水位（井点降水）的
Q----试验开始t秒钟后盛水容器所接水量（cm3）。
则每秒钟渗透量 达西发现，q与A、h成正比，与L成反比，则写成：
则渗透速度（seepage velocity）（单位时间通过单位面积的水量） 式中：渗透速度，cm/s； i -----水力坡降（水头梯度、水力梯度）； k-----渗透系数 (permeability coefficient)
§3.1 土的毛细性
一、土的毛细现象定义
是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上或 其它方向移动的现象。这种细微孔隙中的水被称为毛细水， 对工程产生一定的影响。
二、 影响
（1）毛细水上升引起路基冻害。 （2）对于房屋建筑，毛细水上升会引起地下室过分潮湿， 需解决防潮问题。
§3.2 土的渗透性
方法进行施工。
井点降水
3．管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通
过粗大颗粒的孔隙，发生移动或被带走的现象。 长期管涌的结果会形成地下水洞，土洞由小逐渐扩大， 可导致地表塌陷。如美国的伯明翰市。 河滩路堤两侧有水位差时，在路堤内或基底土内发生渗 流，当水头梯度较大时，引起紊流，可能产生管涌现象，导 致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象发生，一般可在渗流逸 出部位铺设反滤层，或做防渗铺盖或施工防渗墙等。

土体内部存在大量的孔隙，而大部分孔隙是连通的。土孔隙中 的自由水在位势差作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。

渗透性是土的重要工程性质之一。与土的强度、变形问题一样， 也是土力学中主要研究课题之一。
一、渗流的基本规律
（一）层流渗透定律（达西定律） 1．基本概念 （1）流线：水点的运动轨迹称为流线； （2）层流：如果流线互不相交，则水的运动称为层流； （3）紊流：如果流线相交，水中发生局部旋涡，则称为紊流。
GD=iγw
Fra Baidu bibliotek
*总结：动水力是一个渗透力，是地下水在渗流过程中对
单位体积土骨架所产生的作用力，其大小与水力坡降成正 比，其方向与渗流方向一致。
2．流砂 当水流向下流动时，动水力方向与重力方向一致，使 土颗粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗 流时，动水力的方向与重力方向相反。当动水力GD的数值

流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不 发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生
于土体内部。
处的水力坡降应满足如下要求：
流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于
饱和的低塑性粘性土，当受到扰动时，一般会发生流砂现象， 而在粗颗粒和粘土中则不易发生。 多发生在土体表面（表层）渗流逸出处，不发生于土体 内部。
举例：基坑开挖排水时，常采用排水沟明排地下水的方法。 此时地下水流动的方向向着基槽，由于基槽中土体已挖除，
对于粘性土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性矿物
（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性， 就大大降低了土的渗透性，含有大量有机质的淤泥几乎是
不透水的。
（3）结合水膜厚度
粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙， 降低土的渗透性。 （4）土的结构构造 天然土层通常是各向异性的，在渗透性方面往往也是如此。
等于或大于土的浮重度r’时，土体颗粒间的压力就等于零，
土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象称为流砂。
即流砂产生的条件为
GD≥γ`
或：
i≥γ`/γw
令 icr= γ`/γw 称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实 际水力坡降≥临界水力坡降，就会产生流砂。 容许水力坡降（取安全系数K＝2.0～2.5），设计时渗流逸出
由于达西定律只适用于层流的情况，故一般只适用于中 砂、细砂、粉砂等。
在密实粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受
到电分子引力的作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的 渗流受到结合水的粘滞作用产生很大的阻力，只有克服结合 水的抗拉强度后才能开始渗流。我们将克服此抗拉强度所需 要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib。这样在粘土中，
如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水
平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗 透系数要比竖直方向大得多。
（5）水的粘滞度
水在土中的渗透速度与水的重度及粘滞度有关，而这两个数 值又与温度有关。一般水的重度随温度变化很小，可略去不计， 但水的粘滞系数随温度的升高而降低，从而增加了水的渗透性。
(1) 现场试验：抽水试验法、示踪剂法 (2) 室内试验：常水头法、变水头法 (3) 经验值
4．影响土渗透性的因素
（1）土的粒度成分
土颗粒越大、越浑园、越均匀、级配越差时，渗透性
越大。反之，渗透性越小，例如，砂土中含有较多粘土及 粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。 （2）土的矿物成分 关于土的矿物成分对无粘性土的渗透性影响不大，但

一般土（粘性土及砂土等）的孔隙较小，水在土体流动过程中 流速十分缓慢，因此多数情况下其流动状态属于层流。
2．达西定律(Darcy’s law)

法国学者达西（H· Darcy）于1856年通过砂土的渗透试验， 发现了地下水的运动规律，称为达西定律。试验装置下图 所示。
L----试样长（砂土）； A----截面积； h----水位差； t ----时间（s）；
达西定律为：
V=k(i-ib)
式中: ib---起始水头梯度（起始水力坡降）。
砾类土和巨粒土中，只有在小的水力坡降下，渗透速
度与水力坡降才呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水 在土中的流动进入紊流状态，呈非线性关系，此时达西定 律不能适用，如上图（c）所示，需建立紊流情况下的公 式关系。
3．渗透系数的确定方法:
第二章 土体的渗透性与达西定律

土中水并非处于静止不变的状态，而是在不停的运动着。土 中水的运动原因和形式很多，主要有：
（1）在重力作用下，地下水的渗流-----土的渗透性问题。
（2）土在附加应力作用下孔隙水的挤出-----土的固结问题。
（3）由于表面张力作用产生的水份移动-----土的毛细现象。 （4）在电分子引力作用下，结合水的移动-----冻结时土中水的 迁移。 （5）由于孔隙水溶液中离子浓度的差别产生的渗附现象等。
（6）土中气体
当土中存在封闭气泡时，会阻塞水的渗透，从而降低了 土的渗透性。
二、动水力及渗流破坏
1．动水力
水在土中渗流时，受到土颗粒的阻力T的作用，这个力的
作用方向与水流方向相反。根据作用力与反作用力相等的原 理，水流也必须有一个相等的力作用在土的颗粒上，我们把 水在土中渗流时，对单位体积土骨架所产生的作用力称为动 水力GD（kN/m3）。