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達(dá)西定律 | 土的滲透性

發(fā)布日期：

2024-09-04

摘要

達(dá)西定律（Darcy's law）描述飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關(guān)系的規(guī)律，又稱線性滲流定律。1856年由法國(guó)工程師H.P.G.達(dá)西通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到。達(dá)西發(fā)現(xiàn)滲流量Q與上下游水頭差（h2- h1）和垂直于水流方向的截面積A成正比，而與滲流長(zhǎng)度l成反比，即：Q=K*A*（h2-h1）/l。

達(dá)西定律 | 土的滲透性

達(dá)西定律丨土的滲透性

一、土的三相組成

在天然狀態(tài)下，土呈三相系，即由固體顆粒Solic、水Water和空氣Air三相所組成。

土的固體顆粒主要由礦物顆粒、有機(jī)物顆粒及巖屑顆粒構(gòu)成土的骨架部分，即固相；土孔隙中的水及其溶解物構(gòu)成土中液體部分，即液相；空氣及其它一些氣體構(gòu)成土中氣體部分，即氣相。

天然土體中常含有一定數(shù)量呈液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的水。一般土需研究液態(tài)水，凍土還需研究固態(tài)水的含量。土中氣態(tài)水，對(duì)土的性質(zhì)影響不大，通常不作著重研究。

二、土的滲透性

主要研究不受土粒靜電引力作用的水，稱為自由水，自由水能在重力作用下移動(dòng)，也能在表面張力作用下移動(dòng)。按其移動(dòng)所受作用力的不同，自由水可分為重力水和毛細(xì)水。自由水的移動(dòng)形成滲流。

達(dá)西定律（Darcy's law）描述飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關(guān)系的規(guī)律，又稱線性滲流定律。1856年由法國(guó)工程師H.P.G.達(dá)西通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到。1852~1855年，達(dá)西進(jìn)行了水通過飽和砂的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了滲流量Q與上下游水頭差（h2- h1）和垂直于水流方向的截面積A成正比，而與滲流長(zhǎng)度l成反比，即：Q=K*A*（h2-h1）/l。

達(dá)西定律 | 土的滲透性

三、傳統(tǒng)滲透系數(shù)測(cè)定方法

達(dá)西定律丨土的滲透性

達(dá)西實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示。裝置中的①是橫截面積為A的直立圓筒，其上端開口，在圓筒側(cè)壁裝有兩支相距為l的側(cè)壓管。筒底以上一定距離處裝一透水石②，透水石上填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管③溢出，使筒內(nèi)的水位維持一個(gè)恒定值。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯中，并以此來計(jì)算滲流量q。設(shè)△t時(shí)間內(nèi)流入量杯的水體體積為△V, 則滲流量為q=△V /△t 。同時(shí)讀取斷面1-1和段面2-2處的側(cè)壓管水頭值h1，h2，Δh為兩斷面之間的水頭損失。

達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失△h 成正比，與斷面間距l(xiāng)成反比。

四、新型滲透系數(shù)測(cè)定方法：全自動(dòng)滲透試驗(yàn)系統(tǒng)

將試樣用橡皮膜包裹置于三軸圍壓液中，可以通過體積壓力控制器VPC施加圍壓，模擬現(xiàn)場(chǎng)不同深度下的滲流情況。通過兩個(gè)體積壓力控制器VPC分別在試樣頂部和底部控制值孔壓Pore Pressure（反壓Back Pressure），實(shí)現(xiàn)水頭差的控制。

電腦上安裝巖土專業(yè)控制采集軟件Geosys，對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集以后自動(dòng)記錄，并且計(jì)算出滲透系數(shù)。

達(dá)西定律 | 土的滲透性 ? ?

與傳統(tǒng)方式不同的是：

① 圍壓可變可控

② 方便對(duì)試樣進(jìn)行飽和

③ 方便對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)

④ 水頭壓力準(zhǔn)確

⑤ 靈活選擇變水頭、常水頭試驗(yàn)

⑥ 自動(dòng)控制

⑦ 通過電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算

五、達(dá)西定律適用范圍

達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體實(shí)驗(yàn)得到的，后來推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。進(jìn)一步的研究表明，在某些條件下，滲透并不一定符合達(dá)西定律，因此在實(shí)際工作中我們還要注意達(dá)西定律的適用范圍。

流速的影響：試驗(yàn)表明，當(dāng)滲透速度較小時(shí)，滲透的沿程水頭損失與流速的一次方成正比。在一般情況下，砂土、粘土中的滲透速度很小，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動(dòng)——層流，滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西定律，滲透速度v與水力梯度i的關(guān)系可在v-i坐標(biāo)系中表示成一條直線。

從粗顆粒土（如礫、卵石等）的試驗(yàn)結(jié)果看, 由于其孔隙很大，當(dāng)水力梯度較小時(shí)，流速不大，滲流可認(rèn)為是層流, v-i關(guān)系成線性變化，達(dá)西定律仍然適用。當(dāng)水力梯度較大時(shí)，流速變大，滲流將過渡為不規(guī)則的相互混雜的流動(dòng)形式——紊流,這時(shí)v-i關(guān)系呈非線性變化, 達(dá)西定律不再適用。

顆粒尺寸的影響：顆粒較細(xì)的高壓縮性土，可自由膨脹的粘性土等的滲透試驗(yàn)表明，它們的滲透存在一個(gè)起始水力梯度，這種土只有在達(dá)到起始水力梯度后才能發(fā)生滲透。這類土在發(fā)生滲透后，其滲透速度仍可近似的用直線表示。

此外，級(jí)配、溫度、測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)的選擇、實(shí)驗(yàn)室條件也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。更多詳情，歡迎互相討論。

六、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

習(xí)慣上采用cm/s, m/s, m/day, cm/day等單位，各類砂土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值如下：

Description	min (m/s)	max (m/s)
Well graded gravel, sandy gravel, with little or no fines	5x10^-4	5x10^-2
Poorly graded gravel, sandy gravel, with little or no fines	5x10^-4	5x10^-2
Silty gravels, silty sandy gravels	5x10^-8	5x10^-6
Alluvial sand and gravel	4x10^-4	4x10^-3
Clayey gravels, clayey sandy gravels	5x10^-9	5x10^-6
Well graded sands, gravelly sands, with little or no fines	1x10^-8	1x10^-6