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1、第三节 渗透性,非饱和土中水的运动要比饱和土中水的渗流运动更为复杂 这是因为它的运动不仅与多孔介质的几何特征有关，而且还与含水量、饱和度、颗粒大小与矿物成分、温度、溶质浓度等各种影响土水势的因素有关 非饱和土为三相系，气相对液相的运动将会起到阻滞或推动作用，使非饱和土中水的运动变得复杂。为了研究简便起见，设水分运动过程中空气不起阻滞或推动作用，同时也不考虑温度变化的影响,非饱和土孔隙中存在水和气两相，它们有各自的渗透流动规律。讲渗流，主要讲水的渗透流动。但气的存在影响到水的流动，尤其影响到土的固结，因此也需讨论气的渗透规律,非饱和土的孔隙中存在气体和水两种流体。根据饱和度的不同，土中气体和水呈
2、不同的形态。下图表示了非饱和土中孔隙水与气体的三种不同形态 土的饱和度比较高时，例如，击实粘土含水量大于最优含水量wop时，其饱和度约为8590，这时土的孔隙主要被水所占据。气体呈气泡状，被水所包围，可随水一起流动，如图(c)所示，称为气封闭状态。这种混合的流体是可压缩的，在较高压力势下，气泡可被压缩和溶解，使孔隙水饱和度进一步提高。这种情况下，一般可按饱和土计算渗透与 固结问题，只不过其渗透 系数小于饱和土,当土中含水量很小时，孔隙水主要以水蒸气和结合水状态存在，或者吸附在土颗粒局部和表面，被气体隔离封闭，可不考虑水的流动，如图(a)所示情况，称为水封闭状态。 对于图(b)情况，气体和水都是
3、连通的，均可能发生流动，称为双开敞体系，饱和度对于粘土约为Sr=5090;对于砂土，Sr=3080，这种情况是研究非饱和土渗透性的主要课题，一般分别考虑空气的流动和水的流动,根据以上分析，应分别研究两种流动状态，即气流动和水流动,3.1 空气流动,费克(Fick)定律(1855)用以描述空气沿坐标轴方向的流动，例如沿y方向可写成 Ja为通过单位面积土的空气质量流量； Da为土中空气流动的传导常数； c为空气浓度，是绝对气压的函数，c=f(ua)； 为沿y方向的浓度梯度; ua为空气压力； 等为沿y方向空气压力梯度。式中负号表示沿浓度梯度减小的方向流动。,空气浓度和气压的关系,Sr为土的饱和度
4、n为孔隙率 为空气密度 wa为空气分子质量 R为气体常数=8.314J/(molK) T为绝对温度,为了得到类似于达西定律的形式，1971年，Blight，将空气传导系数Da进行如下修改 根据Ja的定义可知，通过单位面积土的空气质量流量可用下式表示 Va为通过的空气体积；va为通过的空气体积流速。 上两式相等得 ka称为空气在土中的渗透系数,量测气渗透系数的三轴仪如图。稳定的气压从试样底部通入，流过试样进入集气管，集气管与装有液体的U形管相连，U形管的另一端通大气。集气管进气后，液面不平，则调整另一端使两边管中的液面齐平，这样土样上表面处的气压等于大气压。流过土样的气体体积可由U形管连接土样那
5、一边管中液面高度的变化，从刻度上读出,气渗透性试验,试样下部通入的气压设为ua，试样上部气压为零，试样高度设为 d，则气压力梯度为,气的渗透速度,气渗透系数,气渗透系数,气渗透系数与饱和度或吸力的变化，与水渗透系数随它们的变化相反，基本上成反比。Brook和 Corey提出,Kd干土时的透气系数,气的渗透系数随含水率急剧变化。图是一种土的水渗透系数和气渗透系数试验结果。 关于气的渗透流动，往往只在非饱和土固结计算中要反映固、液和气的耦合作用时才考虑，通常所要计算的渗流问题还是指水的渗流。,3.2 水流动 -广义达西定律,饱和土的达西定律 Richards于1931年扩展了达西定律，用以描述非饱
6、和土中水的运动规律。即非饱和土中的水流通量与土水势梯度成正比，比例系数k称为导水率，类似于渗透系数，单位也是cm/s，公式为 q非饱和土中水流通量，即单位时间内通过单位截面积的水量； v平均流速； 土水势梯度，也就是水头,非饱和土的渗水性试验-稳态试验方法 是常水头试验方法，P1和P2为试样上下陶土板。P1的上部用常水头供水装置保持水头不变；P2的下部用维持水位不变的接水装置接住从土样流出的水。土样一直处于常水头差作用下。右侧为供气装置。控制土样的气压ua。通过U形管中两边水银面高差可控制气压。左侧T1和T2两点引出侧压管，量测两点，即两个不同高度的水头，两点的距离为d。虽然供水瓶和接水瓶的水
7、位是已知的，当通过陶土板时有水头损失，故还需在土样中T1和T2两点另测水头， 才能反映土体中实际水头损失。 水头梯度：,试样的气压力由水银柱 高差hm求得,试样的平均水压力,渗透系数：,不同的吸力S，用上述方法测得不同的渗透系数，建立Kw-S关系，如图所示。土的干密度不同，曲线有所不同。,常水头试验方法较简单，与饱和上常水头试验相似，主要区别是增加了气压的控制装置，为了能将水压和气压分开，还设置了陶土板。该法适用于渗透系数较大的非饱和土。对于渗透系数低的土，流出的水量很少，不仅试验时间长，而且水体积的量测精度要求高，要防上流出的水蒸发。瞬态实验法,还有一个问题是：当增加气压，吸力增加时，土可能
8、收缩，与渗透仪壁和陶土板的接触向形成脱空。,非饱和土的含水量表示,土的含水量通常用水重与干土重的比值来表示，即重量含水量w=mw/ms 非饱和土力学，用水的体积与土体体积之比表示更为方便，即体积含水量 。w与之间有以下换算关系 为土体干密度， 为水的密度。 体积含水率,导水率,与有关，通过实验得出实验曲线，然后拟合出经验公式，常用的形式有： , s 土的含水量及吸力； k(), k(s)非饱和土体的导水率； n, a, b实验测定的经验参数； s饱和体积含水量，故/s=Sr饱和度,or,非饱和土的渗透系数显然受饱和度影响。饱和度低，孔隙中的气占据了较大的体积，阻碍水的流动，过水断面面积也缩小，自然渗透系数低。,对于饱和土，砂性土的导水率 肯定大于粘性土；在非饱和土中，含水量降低到某一限度时，砂性土的导水率反而要比粘性土小,3.3 非饱和土中的水流方程,假设土体含水量的变化不引起土体体积的变化，且在等温条件下进行。根据流入微分体的水量与流出微分体的水量差，即dt时段内微分体的含水量变化，可得出水流连续方程 饱和土,非饱和土中的水流运动方程,由广义达西定律,，,代入水流连续方程,饱和土：,K()为常数,=f(),
