1.8 土的渗透性

土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。

水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会发生破坏事故。此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。

1.8.1 达西定律

土的渗透性与什么有关呢?早在1856年，法国学者达西（Darcy）根据砂土渗透试验，发现水的渗透速度与试样两断面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比。于是他将渗透速度表示为

或渗流量表示为

这就是著名的达西定律。

式中 v——渗透速度，m／s；

h——试样两端的水头差，m；

L——渗透路径，m；

i——水力梯度，无因次，i=h／L；

k——渗透系数，m／s，其物理意义是当水力梯度i=1时的渗透速度；

q——渗流量，m³／s；

A——试样截面面积，m²。

由于土中的孔隙一般非常微小，在多数情况下，水在孔隙中流动时的黏滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流(即水流线互相平行流动)范围。此时土中水的渗流规律符合达西定律，所以达西定律又称层流渗透定律。但是发生在黏性很强的致密黏土中，不少学者对原状黏土所进行的试验表明这类土的渗透特征也偏离达西定律，其v-i关系如图1.12所示。

由达西定律可知，当i=1时，v=k，即土的渗透系数k就是水力梯度等于1时的渗透速度。k值的大小反映了土渗透性的强弱，k愈大，土的渗透性也愈大。土颗粒愈粗，k值也愈大。k值是土力学中一个较重要的力学指标，但不能由计算求出，只能通过试验直接测定。

渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般地讲，现场试验比室内试验得到的结果更准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。现场试验常用野外井点抽水试验。室内试验测定土的渗透系数的方法较多，就原理来说可分为常水头试验和变水头试验两种。

1.8.2 测定渗透系数的室内试验

1.常水头试验

常水头试验的原理如图1.13（a）所示，适用于透水性较大的土（无黏性土），它在整个试验过程中水头保持不变。如果试样截面积为A，长度为L，试验时水头差为h，用量筒和秒表测得在时间t内流经试样的水量Q（m³），则根据达西定理可得：

因此，土的渗透系数为

2.变水头试验

变水头试验适用于透水性较差的黏性土。黏性土由于渗透系数很小，流经试样的水量很少，难以直接准确量测，因此采用变水头试验法。变水头试验法在整个试验过程中，水头是随时间而变化。试验装置如图1.13（b）所示，试样一端与细玻璃管相连，在试验过程中测出某一段时间内细玻璃管水位的变化，就可根据达西定律，求出渗透系数k。

设玻璃细管过水截面积为a，土样截面积为A，长度为L，试验开始后任一时刻土样的水头差为h，经Δt时间，管内水位下落Δh，则在Δt时间内流经试样的水量为

经过推导即可得到土的渗透系数：

上式中的a、L、A为已知，试验时只要测出与时刻t₂和t₁对应的水头为h₁和h₂，就可以求出土的渗透系数k。各种土常见的渗透系数k值见表1.18。

【例1.3】 某土样做变水头渗透试验，土样直径为6.5cm，长度为4.0cm，水头管直径为1.0cm，开始水头为120cm，经20min后，水头降了12.5cm，求该土样的渗透系数。