土的渗透性

在土建工程的基础施工中，常需采取降低地下水位、排干基坑积水等工程措施。因此，必须研究土中孔隙水（主要是指重力水）的运动规律。地下水的流动常会影响边坡的稳定性并产生流砂、管涌等工程现象，这是岩土工程中很重要的一个问题。

地下水在土的连通孔隙中流动并通过的特性称为土的渗透性。水在土中流动除因土孔隙连通外，还因为有水位差的存在。地下水在重力作用下，由高处向低处流动。例如，基坑开挖至地下水位以下，基坑周围地下水位较高，则地下水会源源不断地流向基坑。

渗透性表明了水通过土孔隙的难易程度和快慢。

1.6.1 达西渗透定律

土孔隙中的自由水在水头差或压力梯度下流动时，由于土的孔隙通道很小，且很曲折，流动过程中黏滞阻力很大，所以，水在土中的流速缓慢，通常的情况下属于层流，即水流流线互相平行。因此，其流动规律符合层流渗透，并可以按照水力学中的达西定律来描述。如图1-14所示装置的试验，A，B是两根竖直测压管，两管的水平距离为l。水从左侧流经土样后从右端流出。由于水流过土样时受到土Η 的阻力，能量有所损耗，因此，测压管B的水头高度较A的低，两者水头差Δh=h1-h2。实验证明，水在土中的渗透速度与Δh成正比而与l成反比，即

式中 i——水头梯度，即土中两点间的水头差Δh与渗流长度l之比：

图1-14 水在土中的渗透

v——端面平均渗流速度，cm/s或m/昼夜；

k——反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数（cm/s或m/昼夜），它相当于水头梯度i=1时的渗流速度，故其量纲与流速相同。渗透系数与土的性质有关，可以在试验室内或在野外测定，参考数值可见表1-16。

表1-16 土的渗透系数参考值

达西定律说明，土中孔隙水的渗流速度与水头梯度成正比。但要注意的是，由式（1-18）求出的渗透速度是一种假想的平均流速，并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。而实际上，渗透水Ζ 是通过该截面内土粒间的孔隙流动。因此，土中孔隙水的实际渗速要比由式（1-18）所求得的数值大得多。但是由于土体中的孔隙形状和大小异常复杂，要直接测定实际的平均流速是困难的。目前，在渗流计算中广泛采用的流速是假想平均流速。

1.6.2 影响土渗透性的因素

影响土渗透性的因素很多，主要有土的粒度成分和矿物成分、土的结构构造和土中气体等。

1.土粒大小、矿物成分和级配

土粒大小、形状和Η 级配会影响土中孔隙的大小及形状，因而影响土的渗透性。土颗粒愈粗、愈浑圆、愈均匀时，土的渗透性也愈好。砂土中含有较多粉土或黏性土Η 时，其渗透系数明显降低。黏性土中含有较多的亲水矿物时，其体积膨胀，渗透性降低。对黏性土以外的其他土，土的矿物成分对其渗透性影响不大。

2.土的结构构造的影响

天然土层通常不是各向同性的，因此，不同方向，土的渗透性也不同。如黄土具有竖向孔隙大的结构，所以它的竖向渗透系数要比水平方向大得多。层状黏土中常夹有粉砂层，再加上其常见的层理构造，其水平方向的渗透系数远大于竖直方向。这在工程上具有十分重要的意义。

3.土中气体的影响

当土中存在密闭气泡时，即使含量很少，也会对渗透性有很大的影响。它不仅使土的有效渗透面积减少，还会堵塞某些孔隙通道，使土的渗透性大大降低。

1.6.3 土的动水压力、流砂、管涌

在土中，水渗流时会受到土Η 的阻力T的作用，这个力的作用方向与水流方向相反。根据力的平衡条件，水流也必然有一个相等的力作用在土Η 上。水流作用在单位体积土体中土Η 上的力称为动水压力GD，GD和T大小相等，方向相反。

动水压力的方向是与渗流方向一致，其数值与水头梯度i成正比，它作用在土的Η 上。

GD=γwi（1-20）

式中 GD——动水压力，N/cm3或k N/m3；

γw——水的重度，通常取10k N/m3。

地下水在土中流动时，由于水流方向的变化，常给工程带来不利的影响。当渗流方向从下至上时，动水压力GD的方向向上，与重力作用方向相反，使土粒间的粒间压力减少，一旦向上的动水压力等于或大于土的浮重度γ′时，粒间压力消失，土粒处于失重悬浮状态，土粒将随水流动，这种现象就是流砂现象。这时的水头梯度称为临界水头梯度：

流砂现象往往发生在细砂、粉砂及粉土等黏聚性差的细Η 土层中。在饱和的低塑性黏性土中，当受到扰动时，也会发生流砂现象。在粗Η 及黏土中，由于其渗透系数较大，不易产生流砂现象。

当发生流砂时，坑底土会随水流涌出，致使坑底土面边挖边涨，无法清除。由于坑底土随水涌入基坑，使基坑底面的土的结构破坏，将来会造成建筑物附加沉降。在基坑四周由于土Η 流失，地面会发生凹陷，危及邻近的建筑物和地下管线，严重时会导致工程事故，应引起特别的注意。所以，一般在施工前，做好周密的勘察工作，当发现坑底土层容易发生流砂时，应避免采用表面直接排水，可采用人工降低地下水位、增长渗流路径（如沿基坑坑壁打板桩）及井点降水等方法进行施工。

当水在砂土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水压力作用下，可能通过粗Η 的孔隙被水流带走，并在粗颗粒之间形成管状孔隙，这种现象称为管涌或潜蚀。管涌可以发生在土体中的局部范围，但也可能发生在较大的土体范围内。久而久之，较大土体范围内的管涌就会在岩土内部逐步形成管状流水孔道，并在渗流出口形成孔穴甚至洞穴，并最终导致土体失稳破坏。1998年发生于我国长江的大洪水使长江两岸的数段河堤发生管涌破坏，给国家和人民财产造成巨大损失。