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1、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411 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412 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
2、面的势能。 基质势也是一种广义的压力势（负压）。,图412 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413 张力计量测的正负压力势,hw(A)hw(B),水由A流向B,图422,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414 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
3、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415 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424,单位面积流量：,比例常数：,图424,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
4、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、R、都会产生影响。,4.3.3 非饱和土的渗透性,图416 三种状态的非饱和土,土的饱和度比较高时（8590），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416,当土中含水量很小时，孔隙
5、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416,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5090；对于砂土3080，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416,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
6、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417 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
7、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418 压实含水量与渗透系数,流体性质：粘滞系数和液体（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420 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421,