巖土工程師專業(yè)輔導知識講解:土的滲透性土中滲流(3)

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(二)達西滲透定律
    水在土中滲流,只要存在一定的水力梯度,水就沿著滲透路徑以一定的流速流動,或產生一定的滲流量。在不同性質的土中,水的流速或流量的大小差別很大,這是因為各類土的顆粒大小、外形及其孔隙的形態(tài)十分復雜,對水流的阻力大小差異甚大的緣故。因此,土中的滲透流速、滲流量和水力梯度與土性質的相互關系是研究土中滲流最基本的問題,也是工程上有實用意義的問題。由于水流通過曲折連通孔隙中流動,在孔隙中真實的滲透路徑
    和真實的水流速度是難以度量的,然而水流通過孔隙流過的流量卻是可度量的。據此,達西(h.darcy)于1856年用圖32—3的試驗裝置,在穩(wěn)定流和層流條件下,用粗顆粒土進行了大量的滲透試驗,測定水流通過土試樣單位截面積的滲流量,獲得了滲流量與水力梯度的關系,從而得到滲流速度與水力梯度(或水頭能量損失)和土的滲透性質的基本規(guī)律,即滲流的基本規(guī)律—達西滲透定律。
    試驗裝置主要包括一個豎立的開口圓筒,筒底部為碎石,上覆多孔濾板,粗顆粒土試樣置于濾板之上,斷面積為a,長度為l,兩測壓管分別置于試樣的兩端部1和2過水斷面處。水從上部進水管a注入筒內,并裝有溢流裝置,保持上部水位穩(wěn)定不變;下部裝有泄水管d及閥門和量水容器。
    試驗時,始終控制筒頂水位保持穩(wěn)定不變,水流通過試樣截面的滲流量也保持穩(wěn)定不變,測壓管的水也是穩(wěn)定的。以圖中o—o/線為基準面,從測壓管中分別測得兩端水頭h1和h2,測定水流通過試樣流出的水量,即滲流通過土試樣的水頭損失。
    此外還應注重:達西研究砂土滲透規(guī)律時,在v-i關系中,僅考慮與土的滲透性質有關,忽略了與滲透液體(水)的性質有關,即滲透系數是除了考慮與土的性質有關外,還應考慮與滲透液體(水)的性質有關。滲透液體對滲透性的影響主要是液體的密度和粘滯性。在巖土工程中,土體中的液體大多數為水體。在土中常碰到的溫度和壓力范圍內,水的密度變化很小,對滲透性不會引起明顯的影響;溫度的影響會引起水的粘滯性產生變化,從而影響滲透系數的變化。
    因此,在工程應用上,對試驗測定的滲透系數應進行溫度和粘滯性校正,以消除水的性質對滲透性的影響。
    綜合上述,達西定律的基本關系是采用宏觀虛擬的基本假定建立的,包括虛擬的滲透路徑及平均水力梯度、虛擬的平均滲透速度及虛擬的過水截面等。同時還假定土中水運動為穩(wěn)定流和層流狀態(tài)。這樣的處理方法,避免了土孔隙形態(tài)的復雜性和微觀分析的困難。雖然這一系列宏觀虛擬假定的關系應屬于經驗性的宏觀分析,但仍不失其理論和實用價值,一百多年來的工程應用證實是有效的。然而,這一系列的宏觀虛擬概念在工程應用時還需正確理解。