土力学与地基基础中的渗透力计算示意图及公式

1.渗透力的定义

水在土中流动将受到土粒对水的阻力作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中颗粒位置发生改变。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。静水作用在水中物体上的力称为静水压力，而渗透力是在水流动时作用在物体上的力，因此也被称为动水力。

在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中，渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中，也有过不少发生渗透变形（流土或管涌）的事例，严重的使工程施工中断，甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此，在进行工程设计与施工时，对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视。

2.渗透力计算公式推导

如图2-10所示，U形管底部水平放置长度为L的土样，土样左、右两侧截面水头高度分别为H1和H2。依据达西定律，U形管左侧的水将透过土样孔隙发生渗流。

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图2-10　渗流力计算示意图

图2-10中土样左右两侧截面处的液体压强分别为ρwgH1和ρwgH2。假设土样横截面积为A，经静力平衡分析，可求土样对渗透水流的阻力为F=Aγw（H1-H2）。土样体积为AL，于是求得单位体积土体对渗透水流的阻力为f=γw（H1-H2）/L，其与渗透力为作用力和反作用力关系。通过上述分析，我们可以得出以下结论：

（1）渗透力是一种作用在渗流场的所有土粒上的体积力；

（2）渗透力的量纲与重度相同，渗流力与水力坡降正相关，其大小等于水的重度与水力坡降的乘积；

（3）渗透力的方向与渗流方向一致；

（4）渗透力与渗透系数或渗透速度无关。