渗流力

更新时间:2022-09-25 22:41

水在土体中流动时,将会引起水头的损失。而这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时,力图拖曳土粒而消耗能量的结果。自然,水流在拖曳土粒时将给予土粒以某种拖曳力,将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力。

定义

水在土体中流动时,将会引起水头的损失。而这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时,力图拖曳土粒而消耗能量的结果。自然,水流在拖曳土粒时将给予土粒以某种拖曳力,将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力。由下面的流土试验来更好地理解渗流力。

流土试验

图中圆筒形容器A的细筛上装有均匀的砂土,其厚度为L,容器顶缘高出砂面,细筛底部用一根管子与贮水器B相连,当贮水器的水面与容器A的水面保持齐平时,则无渗流发生。若将贮水器B逐级提升,则由于水位差的存在,贮水器B内的水就从底部透过砂层从容器A的顶缘不断溢出,渗透水流的速度也愈来愈快。当贮水器B提升到某一高度时,就可以明显地看到渗水翻腾并挟带着砂子向A涌出,这一现象称为渗透变形。产生这一现象的原因可解释如下。

设试样的截面积为A,若试样渗流进口(ab面)与出口(cd面)两测压管是水面髙差为h,水从ab面流过L厚的试样到达cd面时,因为要克服整个试样内砂粒对水流的阻力,总水压力便损失了 ,其中 为水的重度。一般而言,土中渗流速度极小,流动水体的惯性力可以忽略不计。按照牛顿第三定律,渗流作用于试样的总渗透力J应和试样中砂粒对水流的阻力大小相等方向相反,即有:

所以作用于单位体积土体的渗透力应为:

从上式可知,渗透力是一种体积力,其量纲与 相同。渗透力的大小和水力梯度成正比,其方向与渗流方向相一致。

从上述分析结果可知,在有渗流的情况下,由于渗流力的存在,将使土体内部受力情况(包括大小和方向)发生变化。一般地说,这种变化对土体的整体稳定是不利的,但是,对于渗流中的具体部位应作具体分析。例如,对于右图中的1点,由于渗流力方向与 重力一致,渗流力促使土体压密、强度提高,对稳定起着有利的作用;2,3两点的渗流力方向与重力近乎正交,使土粒有向下游方向移动的趋势,对稳定是不利的;4点的渗流力方向与重力相反,对稳定最为不利,特别当向上的渗流力大于土体的有效重量时,土粒将被水流冲出,造成流土破坏,如不及时加以防治,将会引起整个建筑物的失事。

渗流力的危害

渗透不可避免地将引起土体内部应力状态的变化,从而改变建筑物基础的稳定条件。因此,对于土工建筑物来说,如何确保在有渗流作用时的稳定性是非常重要的。渗流所引起的渗透破坏问题主要有两大类。

—类是土体的局部稳定问题。这是由于渗透水流将土体的细颗粒冲出、带走或局部土体产生移动,导致土体变形而引起的。因此,这类问题又常称为渗透变形问题,主要表现为流土管涌

另一类是整体稳定问题。由于渗流作用,使得水压力或浮力发生变化,导致整个土体发生滑动、坍塌或建筑物失稳。表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物的整体失稳。土坝在水位降落时引起的滑动是这类破坏的典型事例。

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