土力学(第2版土木工程类系列教材普通高等教育十三五规划教材)

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第3章 土的渗透性与渗流(Permeability and Flow of Water through Soil) 3.1概述(Introduction) 土的骨架由土颗粒组成，颗粒之间的孔隙是相互连 通的。在饱和土中，水充满整个孔隙，当不同位置的自 由水存在能量差时，水将从能量高的位置向能量低的位 置流动，如图3.1所示。水在土体孔隙中流动的现象称 为渗流； 土能够被水等流体通过的性质称为土的渗透 性。土中水的渗流在层流条件下满足达西定律，而土的 渗透性大小和土的粒径、级配、矿物成分等众多因素有 关。由渗流作用产生的孔隙水对土骨架的作用力称为渗 透力，渗透力会引起土体应力状态的改变，从而导致土 的强度和变形特性的变化。 图3.1土的渗透特性图 图3.2基坑降水示意图 在实际工程中，与渗流有关的问题**普遍，这些 问题主要可以分成两类： ①渗流量问题。如基坑（图 3.2）、隧道等工程开挖过程中的降水、排水，土坝由 于渗透造成水量损失等。②渗透破坏问题。渗透过程中 当渗透力过大时，土颗粒间可能发生相对运动甚至土体 的整体移动，使土体产生变形甚至破坏，造成边坡、堤 坝或基坑的失稳破坏。因此，掌握水在土中的渗透规律 具有重要的现实意义。 本章主要介绍土的渗透性和渗透规律、渗透力和渗 透破坏以及二维渗流和流网等方面的内容。 3.2土的渗透规律(Law for Flow of Water through Soil) 3.2.1水头与水力梯度(Head and Hydraulic Gradient) 水头指单位重量的水具有的机械能，其由三部分组 成： 位置水头（用符号hz表示）、压力水头（用符号 hp表示）和速度水头（用符号hv表示）。位置水头为水 到基准面的竖直距离（hz=z），代表单位质量的水从基 准面算起所具有的位置势能； 压力水头为水压力所能 引起的自由水面的升高（hp=u/γw，u为水压力），表 示单位质量的水所具有的压力势能； 速度水头表示单 位质量的水所具有的动能（hv=v2/2g）。三者之和称为 总水头，用符号h表示： h=hz+hp+hv=z+uγw+v22g (3.1) 由于土中水的流动速度较小，速度水头通常可以忽 略，此时 h=hz+hp=z+uγw（3.2） 如图3.3所示，位置水头和压力水头之和为测压管 内自由水面到基准面的竖直距离，因而称为测管水头。 土中水流动的时候，总是从测管水头高的地方流向测管 水头低的地方。在图3.3中，虽然B点的位置水头高于A 点的位置水头（zB>zA），但A点的测管水头高于B点的 测管水头（hA>hB），因而水是从A点流向B点。A点和B