4.3 土的渗透性

4.3土的渗透性4.3.1土中水的势能重量势g压力势p基质势m溶质势0pmog重量势gg－单位体积的水的重力势z为所考虑点相对于基准面的竖向距离，在基准面以上取正值；之下取负值。wgz压力势p静水压力势渗流压力势超静水压力势，又称荷载势图4－11土中水的各种压力势在静止的地下水位以下，土中各处的孔隙水总势能是相等的,这时孔隙水总势能为重力势g和静水压力势p。Apww0ghhBp000gAB00h图4－静止的地下水位以下各点的势基质势m基质势又称为广义毛细势，主要是由气水界面的收缩膜，即表面张力引起的。图4－12土中的基质势AmwAm0ghmwAhAmwBm0ghmwBh由于水是静止的，A,B两点的总势能相等。等于静水面的势能。基质势也是一种广义的压力势（负压）。图4－12A、B两点的总势能00基质势也是一种广义的压力势（非饱和土中）图4－13张力计量测的正负压力势BpwBwBww()gBzhhAmwAwAww(A)gzhhhw(A)hw(B),水由A流向B图4－22mwwhusaa0up土－水特征曲线坐标的另一种表示：体积含水率wrr1vSeSnvemaw()suu基质势与吸力：sr6rln(1/)[1]ln(110/){ln[(/)]}nmSSSeSa土水特征曲线的拟合公式：图4－14土水特征曲线进气值点r残余含水率进气值点：吸力超过该点，空气进入残余含水率：含水率低于它，需很大吸力进一步减少含水率4.溶质势0纯水中溶质势设为零，即0=0溶解有离子的溶液中溶质势00离子浓度越大，溶解的离子价位越高，0的绝对值越高溶质势是半透膜上渗透压力的反作用，总是负值，也叫作渗析吸力它实际上是水中离子和分子渗析扩散的驱动势能，与一般水体的宏观流动有所区别4.3.2达西定律的物理意义v=ki其中k为渗透系数。对于饱和土k为常数对于非饱和土，k是饱和度的函数对于饱和土：v=ki用毛细管代替孔隙通道，分析其中的一根毛细管，半径为R，截面积为a，截面上流速v(r)呈抛物线分布。图4－15毛细管渗流模型每个毛细流管：2ω08Rqai水力坡降：i=h/Lω2ddvirr令阻力等于总压力差，可得：22ω()4ivRr运用边界条件，积分得r半径处的流速:图4－242ω8Rqni单位面积流量：2ω8Rkn比例常数：图4－24影响土渗透系数的因素2ω8Rknkcd10dd有效粒径经验公式：2ω8RknR毛细管半径；动力粘滞系数；n孔隙率。对于饱和土：1.渗透系数k取决于流体的性质，而又与温度、介质浓度和水中气泡等因素有关，与可溶性盐的含量有关；2.R和n受土粒的颗粒大小、级配、土颗粒的形状、矿物组成等因素影响；3.双电层中形成结合水，性质与一般状态的水有很大区别，它对孔隙水中的η、R、ｎ都会产生影响。4.3.3非饱和土的渗透性图4－16三种状态的非饱和土土的饱和度比较高时（85％～90％），土的孔隙主要被水所占据。气体呈气泡状被水所包围，可随水一起流动，称为气封闭状态。这种混和的流体是可压缩的，在较高压力势下，气泡可能压缩和溶解，使孔隙水饱和度进一步提高。一般可按饱和土计算渗透与固结问题。图4－16当土中含水量很小时，孔隙水主要以水蒸汽和结合水状态存在，或者吸附在土颗粒局部和表面，被气体所隔离封闭，可不考虑水的流动。称为水封闭状态。图4－16当气和水都连通，均可能发生流动，称为双开敞体系。相应饱和度对于粘土约为50％－90％；对于砂土30％－80％，这种情况是研究非饱和土渗透性的主要课题。一般分别考虑空气的流动和水的流动。图4－16对于气封闭情况Sr0:初始饱和度Ch:亨利系数：0.02pa:大气压力：100kPa例如：Sr0=80%ua=1.25paSr=0.9190%0.55pa,0.94三轴试验中施加反压，使其达到饱和。0rahaaa0rr)1(SuCppuSSaaaaωωωwvkikyvkikyar(1)cSnc空气浓度aaauRTaaaaauccJDDyuy通过单位面积土的空气质量流量:气体的流动*aaaaaa[(1)]SncDDDuu***aaaaaaaaayuhJDDgDgiyyaaaaaVJvt*aakDgygiDvaaa非饱和土的渗透系数不是常数，受饱和度或基质势的影响。随着饱和度减小渗透系数减小，sωaωω1[]nkkuuagks:饱和土中水的渗透系数脱水吸水非饱和土中水的渗透系数图4－17脱水与吸水时的土水特征曲线非饱和土中水的渗透系数砂（0.5-0.25mm)体积含水率kw10-3cm/s0.51.0砂（1.0-0.5mm)图4－非饱和砂土中水的渗透系数w(θ)sat()nskks：饱和时体积含水率4.3.4影响土渗透系数的因素：土颗粒骨架性质：土的组成、状态、结构流体性质：粘滞系数η和液体（水）的容重1.土颗粒骨架性质:1）组成：粘土矿物：高岺石伊里石蒙脱石砂土：颗粒大小、形状和级配。kcd10dd有效粒径2）状态：密度或者孔隙比e：k随e减小而减小3）土的结构：粘性土的触变性使其强度随时间而提高，渗透系数降低。下图为压实土在不同含水量下渗透系数的变化。其中k0为压实后立即测的值，k21为21天后实测的值。图4－18压实含水量与渗透系数流体性质：粘滞系数η和液体（水）的容重1.渗透流体受到的压力；2.温度；3.流体内电解质的浓度等因素影响；4.水中含有封闭小气泡时，会对其渗透性产生很大影响；5.在粘土中由于双电层的影响，电解质溶质的成分对其渗透性起主要作用；6.溶液中盐含量提高（或价位提高），渗透系数加大，这与粘土中结合水膜的厚度有关。4.3.5达西定律的适用范围粗粒土：层流与紊流图4－20层流与紊流粘性土：起始水力坡降：由于结合水的粘滞性，需要一定的水力坡降克服其抗剪强度－屈服剪应力图4－21