43土的渗透性.ppt

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 ?0 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。 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 。 A B 0 0 h 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 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4－12 A、B两点的总势能 0 0 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 hw(A)hw(B),水由A流向B 图4－22 土－水特征曲线坐标的另一种表示：体积含水率 基质势与吸力： 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=k i 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=k i 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： 水力坡降：i=h/L 令阻力等于总压力差，可得： 运用边界条件，积分得r半径处的流速: 图4－24 单位面积流量： 比例常数： 图4－24 影响土渗透系数的因素 有效粒径 经验公式： R?毛细管半径； ??动力粘滞系数； n?孔隙率。 对于饱和土： 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； 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； 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：0.02 pa: 大气压力：100kPa 例如：Sr0=80% ua=1.25pa Sr=0.91 90% 0.55pa, 0.94 三轴试验中施加反压，使其达到饱和。 c?空气浓度 通过单位面积土的空气质量流量: 气体的流动  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， 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 kw 10-3cm/s 0.5 1.0 砂（1.0-0.5mm) 图4－ 非饱和砂土中水的渗透系数 ?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。 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