简述渗透力和临界水力坡降的意义(渗透力的大小与水力坡降有关与土的性质)

导语：每天一点土力学（18）：渗透力和临界水力坡降

渗透力

水在土体流动时，由于受到土体的阻力而引起水头的损失，而从作用力与反作用力的原理可知，水流经过时必定对土颗粒施加一种渗流作用力。 为研究方便，称单位体积土颗粒所受到的渗流作用力为渗透力。

如图所示，设土样截面积为 A，长为 L。 从本质上看，渗透力是水流与土颗粒之间的作用力。 基于此，将水和土颗粒的受力情况分开考虑。

渗流破坏试验示意图

如图所示，等号左边为水土整体的受力情况；等号右边的第二项为土颗粒（骨架）的受力情况，第二项为水的受力情况。

土颗粒和水受力示意图

对于水土整体：

对于土骨架：

对于水：

渗透力表示的是水流对单位体积土颗粒的作用力，是由水流的外力转化为均匀布置的体积力，普遍作用于渗流场中所有的土颗粒上，大小与水力梯度成正比，方向与渗流的方向一致，总渗透力为：

临界水力坡降

若将图中左端的贮水器不断上提，则 Δh 逐渐增加，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。 当 Δh 增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 这是渗透力已超过土颗粒有效重度（浮重度）的结果。 设渗透力为：

若渗透水流自下而上作用于砂土，砂土中的有效重度为 γ′，则当 J ＞γ′时，砂土将被渗透力所悬浮，失去其稳定性；当 J ＝γ′时，砂土将处于悬浮的临界状态，则得：

此时，式中的水力梯度 i 称为临界水力坡降，并记为 i ｃｒ ，即

临界水力坡降为渗流作用于土体开始发生流土时的水力梯度。 由土的三相比例关系可知，土的浮重度 γ′为：

式中dｓ ，e———土粒的相对密度和孔隙比，e 一般为0.5~1.0，dｓ ＝2.68，则i ｃｒ 为0.8~1.2，平均为1.0。

上式是根据竖向渗流且不考虑周围土的约束条件推导出来的，因此按此式求得的水力梯度偏小，比一般试验值小 １５％ ～２０％。 此外，临界水力梯度的大小还与渗透变形的类型和土的类型有关。

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