【例題3】在達西滲流試驗裝置中,已知v=40g/s,h=15cm,h2=50cm,l=30cm,經試驗測得的土的滲透系數k為()。
a.1.2m/sb.0.2m/sc.0.5m/sd.0.8m/s
答案:d
所以達西滲透定律的適用范圍主要與滲透水流在土中的流動狀態(tài)有關，屬于層流狀態(tài)者適用，紊流狀態(tài)則不適用(這是適用范圍的基本概念)。然而影響滲透規(guī)律變化的因素，除了滲透水流的流動狀態(tài)外，還與土孔隙中的液體性質和土顆粒的大小、外形和礦物成分及與水的相互作用有關。許多研究結果表明：在層流狀態(tài)下，流速較小時，水流的摩擦水頭損失以粘滯力為主，滲流服從達西定律；當水流在粗顆粒土中流動時，往往流速較大，在逐漸過渡到紊流狀態(tài)的過渡階段時，水流仍屬于層流狀態(tài)，但此時流速的慣性力已不容忽視，滲流規(guī)律逐漸偏離達西的線性關系，達西定律己不適用。從層流區(qū)過渡到紊流區(qū)的分界點就是達西定律適用范圍的界限，即適用范圍的上限。在細粒土的孔隙內，水和固體顆粒表面之間有較強的相互作用力，使流體的流動方程偏離牛頓定律，從而使?jié)B流偏離達西定律，尤其是小流速和小梯度時更甚，這是達西定律適用范圍的下限。此外，細顆粒在土的大孔隙中自由移動，或堵塞通道，然后又被沖開，或被滲透水流帶走，往往也會使?jié)B流偏離達西定律。上述分析說明：達西定律的適用范圍，在層流狀態(tài)下，粗顆粒土類有個上限，細顆粒土類有個下限。這兩個界限如何具體確定，研究者們對此進行了大量的研究，并獲得許多成果。由于各種土類孔隙形態(tài)和礦物成分的復雜性，研究結果所得上下限的界限都比較分散而模糊，具體應用比較困難。從工程實用觀點出發(fā)，許多學者的研究結果認為：土力學中所涉及的滲流工程問題，不論是粗粒土或是細粒土，一般都在達西定律適用范圍上下限之內；對于粗粒料中的堆石體、反濾排水層等，滲流有可能超越其適用范圍的上限；對于密實的粘土和細粒土在孔隙中可自由移動的土類，也可能超越應用范圍的下限而偏離達西定律。兩者的上下限及其典型的非達西滲流表達式可以通過試驗獲得。
【例題4】下列關于達西定律的適用范圍的敘述,正確的是().
a.達西定律適用于一切土層及水流;
b.達西定律適用于紊流狀態(tài)的水流;
c.達西定律適用的土層,對于粗粒土存在著上限,而對于密實粘土和細粒土則存在著下限;
d.達西定律適用于層流狀態(tài)的水流;
答案:c、d
1．密實粘土的非達西滲透
許多試驗結果表明：密實粘土的滲透規(guī)律偏離達西定律，并有多種類型的非線性關系。其中典型的結果(s．hansbo1960)，v—i的關系為非線性(圖中實線)，而且曲線不通過原點，水力梯度很小時，不產生滲透，當到達某梯度時，才出現(xiàn)滲透，這一梯度稱為起始水力梯度。將曲線簡化為線性關系(圖中虛線)并用式(32—10)表達，有
v＝k(i-i0)(32—10)
式中：i0—起始水力梯度，這是達西定律適用范圍的下限。
對于；i>i0時才產生滲透，常作如下解釋：這是因為密實粘土的顆粒具有較厚的結合水膜，而且顆粒間相互靠近，阻礙自由水通過，只有到達一定水力梯度，克服結合水膜的阻力才產生滲流。
2．粗大粒料土中的非達西滲流(如堆石體，純凈礫中的滲流)
當水力梯度較小時，滲透流速與水力梯度的關系仍保持達西定律的線性關系；當梯度較大時，相應滲透流速隨之增大，雖然滲透水流仍然處于層流狀態(tài)，但v—i關系出現(xiàn)非線性而偏離達西定律，如圖32—4(c)所示。由試驗得知，當v>vcr時(見圖)，滲流規(guī)律就偏離達西定律，呈非線性關系，vcr稱為臨界滲透速度，并以此為達西定律適用范圍的上限(a．r．jumikis)。當v>vcr后，達西定律應改為式(32—11)，即
v＝kimm式中：m—水力梯度指數，m二、滲透系數的測定
達西定律是從試驗中建立的，滲透系數至今也只能通過試驗來測定。雖然從滲透的物理本質探討滲透系數的理論研究已取得多種模擬計算公式，但計算結果與實際比較，只能用于指導試驗的測定。
滲透系數的測定可分為現(xiàn)場試驗和室內試驗兩類。從試驗結果看，現(xiàn)場試驗比室內試驗所得的結果要準確可靠，前者代表原位土層的滲透性，后者僅代表取土位置局部土試樣，的滲透性。前者試驗的工作量較大，時間較長，不宜多做；后者可以多做，并可分清各土層的滲透性，所以除重大工程需要進行現(xiàn)場試驗外，一般只要求進行室內試驗。本節(jié)將主要介紹室內試驗?，F(xiàn)場試驗的原理與方法在工程地質勘察中闡述。
室內測定土的滲透系數的方法有多種，常用的有常水頭試驗和變水頭試驗，前者適用于測定透水性強的無粘性土，后者適用于透水性弱的粘性土。下面著重介紹這兩種方法的試驗原理，有關試驗儀器和操作方法請參閱有關試驗規(guī)程或試驗指導書。
【例題5】常水頭試驗適用于測定()的滲透系數.
a.砂土;b.碎石土;c.粉質粘土;d.粉土;答案:a、b
(一)常水頭試驗
常水頭試驗就是在整個試驗過程中，始終保持水頭不變，水頭差也不變，滲流穩(wěn)定。試驗裝置如圖32—5(a)所示。設試樣的長度為l，截面積為a，試驗時，先打開供水閥，使水自上而下通過試樣并從溢流槽排出，試樣兩端部設有測壓管測定其水頭差h，待水在試樣中滲流穩(wěn)定后，經過一定的時間，測定歷時t流過試樣的水量v和測壓管水頭差h，即可按照達西定律得
(二)變水頭試驗
變水頭試驗，就是試驗過程中水頭是隨時間而變化的。利用水頭變化與滲流通過試樣截面的水量關系測定土的滲透系數，試驗裝置如圖32—5(b)所示。水流從一根豎立帶有刻度的玻璃管和u形管自下而上流經試樣。試驗時，將玻璃管充以預處理好的試驗用水至適當的高度后，開動秒表，測記起始水頭差h1，經歷時t后再測試終了水頭差h2，便可利用達西定律推導出滲透系數的表達式。
設玻璃管內截面積為a，試樣長度為l，試樣截面積為a。試驗開始后任一時刻t的水頭差為h，經歷dt時段，管中水位下降dh，則時段dt內，流過試樣的水量為
dv＝-adh(a)
式中：負號表示滲水量隨h的減少而增大。
根據達西定律，在時段山內流過試樣的水量又可表示為
a.1.2m/sb.0.2m/sc.0.5m/sd.0.8m/s
答案:d
所以達西滲透定律的適用范圍主要與滲透水流在土中的流動狀態(tài)有關，屬于層流狀態(tài)者適用，紊流狀態(tài)則不適用(這是適用范圍的基本概念)。然而影響滲透規(guī)律變化的因素，除了滲透水流的流動狀態(tài)外，還與土孔隙中的液體性質和土顆粒的大小、外形和礦物成分及與水的相互作用有關。許多研究結果表明：在層流狀態(tài)下，流速較小時，水流的摩擦水頭損失以粘滯力為主，滲流服從達西定律；當水流在粗顆粒土中流動時，往往流速較大，在逐漸過渡到紊流狀態(tài)的過渡階段時，水流仍屬于層流狀態(tài)，但此時流速的慣性力已不容忽視，滲流規(guī)律逐漸偏離達西的線性關系，達西定律己不適用。從層流區(qū)過渡到紊流區(qū)的分界點就是達西定律適用范圍的界限，即適用范圍的上限。在細粒土的孔隙內，水和固體顆粒表面之間有較強的相互作用力，使流體的流動方程偏離牛頓定律，從而使?jié)B流偏離達西定律，尤其是小流速和小梯度時更甚，這是達西定律適用范圍的下限。此外，細顆粒在土的大孔隙中自由移動，或堵塞通道，然后又被沖開，或被滲透水流帶走，往往也會使?jié)B流偏離達西定律。上述分析說明：達西定律的適用范圍，在層流狀態(tài)下，粗顆粒土類有個上限，細顆粒土類有個下限。這兩個界限如何具體確定，研究者們對此進行了大量的研究，并獲得許多成果。由于各種土類孔隙形態(tài)和礦物成分的復雜性，研究結果所得上下限的界限都比較分散而模糊，具體應用比較困難。從工程實用觀點出發(fā)，許多學者的研究結果認為：土力學中所涉及的滲流工程問題，不論是粗粒土或是細粒土，一般都在達西定律適用范圍上下限之內；對于粗粒料中的堆石體、反濾排水層等，滲流有可能超越其適用范圍的上限；對于密實的粘土和細粒土在孔隙中可自由移動的土類，也可能超越應用范圍的下限而偏離達西定律。兩者的上下限及其典型的非達西滲流表達式可以通過試驗獲得。
【例題4】下列關于達西定律的適用范圍的敘述,正確的是().
a.達西定律適用于一切土層及水流;
b.達西定律適用于紊流狀態(tài)的水流;
c.達西定律適用的土層,對于粗粒土存在著上限,而對于密實粘土和細粒土則存在著下限;
d.達西定律適用于層流狀態(tài)的水流;
答案:c、d
1．密實粘土的非達西滲透
許多試驗結果表明：密實粘土的滲透規(guī)律偏離達西定律，并有多種類型的非線性關系。其中典型的結果(s．hansbo1960)，v—i的關系為非線性(圖中實線)，而且曲線不通過原點，水力梯度很小時，不產生滲透，當到達某梯度時，才出現(xiàn)滲透，這一梯度稱為起始水力梯度。將曲線簡化為線性關系(圖中虛線)并用式(32—10)表達，有
v＝k(i-i0)(32—10)
式中：i0—起始水力梯度，這是達西定律適用范圍的下限。
對于；i>i0時才產生滲透，常作如下解釋：這是因為密實粘土的顆粒具有較厚的結合水膜，而且顆粒間相互靠近，阻礙自由水通過，只有到達一定水力梯度，克服結合水膜的阻力才產生滲流。
2．粗大粒料土中的非達西滲流(如堆石體，純凈礫中的滲流)
當水力梯度較小時，滲透流速與水力梯度的關系仍保持達西定律的線性關系；當梯度較大時，相應滲透流速隨之增大，雖然滲透水流仍然處于層流狀態(tài)，但v—i關系出現(xiàn)非線性而偏離達西定律，如圖32—4(c)所示。由試驗得知，當v>vcr時(見圖)，滲流規(guī)律就偏離達西定律，呈非線性關系，vcr稱為臨界滲透速度，并以此為達西定律適用范圍的上限(a．r．jumikis)。當v>vcr后，達西定律應改為式(32—11)，即
v＝kimm式中：m—水力梯度指數，m二、滲透系數的測定
達西定律是從試驗中建立的，滲透系數至今也只能通過試驗來測定。雖然從滲透的物理本質探討滲透系數的理論研究已取得多種模擬計算公式，但計算結果與實際比較，只能用于指導試驗的測定。
滲透系數的測定可分為現(xiàn)場試驗和室內試驗兩類。從試驗結果看，現(xiàn)場試驗比室內試驗所得的結果要準確可靠，前者代表原位土層的滲透性，后者僅代表取土位置局部土試樣，的滲透性。前者試驗的工作量較大，時間較長，不宜多做；后者可以多做，并可分清各土層的滲透性，所以除重大工程需要進行現(xiàn)場試驗外，一般只要求進行室內試驗。本節(jié)將主要介紹室內試驗?，F(xiàn)場試驗的原理與方法在工程地質勘察中闡述。
室內測定土的滲透系數的方法有多種，常用的有常水頭試驗和變水頭試驗，前者適用于測定透水性強的無粘性土，后者適用于透水性弱的粘性土。下面著重介紹這兩種方法的試驗原理，有關試驗儀器和操作方法請參閱有關試驗規(guī)程或試驗指導書。
【例題5】常水頭試驗適用于測定()的滲透系數.
a.砂土;b.碎石土;c.粉質粘土;d.粉土;答案:a、b
(一)常水頭試驗
常水頭試驗就是在整個試驗過程中，始終保持水頭不變，水頭差也不變，滲流穩(wěn)定。試驗裝置如圖32—5(a)所示。設試樣的長度為l，截面積為a，試驗時，先打開供水閥，使水自上而下通過試樣并從溢流槽排出，試樣兩端部設有測壓管測定其水頭差h，待水在試樣中滲流穩(wěn)定后，經過一定的時間，測定歷時t流過試樣的水量v和測壓管水頭差h，即可按照達西定律得
(二)變水頭試驗
變水頭試驗，就是試驗過程中水頭是隨時間而變化的。利用水頭變化與滲流通過試樣截面的水量關系測定土的滲透系數，試驗裝置如圖32—5(b)所示。水流從一根豎立帶有刻度的玻璃管和u形管自下而上流經試樣。試驗時，將玻璃管充以預處理好的試驗用水至適當的高度后，開動秒表，測記起始水頭差h1，經歷時t后再測試終了水頭差h2，便可利用達西定律推導出滲透系數的表達式。
設玻璃管內截面積為a，試樣長度為l，試樣截面積為a。試驗開始后任一時刻t的水頭差為h，經歷dt時段，管中水位下降dh，則時段dt內，流過試樣的水量為
dv＝-adh(a)
式中：負號表示滲水量隨h的減少而增大。
根據達西定律，在時段山內流過試樣的水量又可表示為