粘性土初始比降試驗測試方法的探討

劉 弘 ，王大放，王立姣

（1.中水東北公司工程勘察院試驗中心，吉林長春130021；2.中水東北公司工程勘察院，吉林長春130021）

1 試驗原理

根據土在層流條件下，滲透速度與能量間關系的滲流規(guī)律，即達西定律,采用試驗裝置見圖1，其中h1，h2分別為1，2斷面處的測壓管水頭；△h=h1-h2；即為經過土樣滲流長度L后的水頭損失——常水頭差。達西定律為單位時間內的滲出水量 q與水力梯度 i和圓筒斷面積 A成正比，且與土的透水性質有關，即寫成等式為：

圖1 試驗裝置

式中：q——單位滲水量，cm3/s；v——斷面平均滲透速度，cm／s；i——水力梯度，表示單位滲流長度上的水頭損失，或稱水力比降；k——為土的滲透系數(shù)，K=(Q/AT)△h/L。它相當于水力梯度 i＝1時的滲透速度，故其量綱與滲透速度相同，cm/s。

達西定律表明在層流狀態(tài)中，滲透速度v與水力梯度i的一次方成正比，如圖 2(a)所示。故達西定律又稱線性滲透定律，適用于做層流運動的地下水。由于粘性土的滲流速度很小所以是層流運動，適用于達西定律。對于密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當水力梯度達到某一數(shù)值，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。將這一開始發(fā)生滲透時的水力梯度稱為粘性土的起始水力梯度 。一些試驗資料表明，當水力梯度超過起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還會偏離達西定律而呈非線性 關系，如圖 2(b)中的實線所示。其中直線部分是符合達西定律的。曲線段為不符合達西定律的，粘土的滲透速度與水力梯度的關系，并以下式表示：

式中：i0——粘土的起始水力梯度；其余符號意義同前。

2 試驗方法

根據達西定律原理，制定了測試飽和粘性土的起始比降的試驗方法供其在工程應用中參考和研究。首先從較小的比降開始做滲透試驗，求出幾個不同比降下粘性土的滲透系數(shù)，根據達西定律 求出滲透速度，然后做i～v曲線，取直線段延伸，截i軸與某一點，則該點的比降值即為起始比降。

圖2 土的滲透比降與滲透速度關系圖

圖3 常水頭試驗儀

規(guī)范規(guī)定常水頭滲透試驗適用砂性土，變水頭滲透試驗適用粘性土。但測試粘性土的初始比降必須用常水頭試驗法，我們解決這一問題的原理是：由于砂性土能較快地獲得滲透穩(wěn)定，滲透要素不隨時間變化，為穩(wěn)定滲流狀態(tài)，符合達西定律，此時滲透系數(shù)K=Q/At（l/△h），△h不隨時間變化，是一穩(wěn)定數(shù)，因此用常水頭試驗測試。當粘性土滲透試驗在開始滲流時不能很快地達到滲透穩(wěn)定狀態(tài)，v=K（△h（t）/l），此時△h水頭損失隨時間變化，即是時間的函數(shù)，為非穩(wěn)定流狀態(tài)，此時用變水頭試驗求滲透系數(shù)K=2.3/((a.l)/At)log(h1/h2)。當隨著飽和穩(wěn)定時間的加長，滲流變化成穩(wěn)定流的狀態(tài)時，此時的滲透試驗用常水頭方法測滲透系數(shù)和水頭損失認為是可行的，因此粘性土用常水頭試驗方法測試,只有加長飽和穩(wěn)定時間使粘性土的非穩(wěn)定流狀態(tài)變化成穩(wěn)定流狀態(tài)，滲透系數(shù)和水頭損失準確性更高一些，判斷滲透穩(wěn)定的標準為滲透系數(shù)變化不大。

3 試驗步驟

1）根據達西試驗的原理，將南55型滲透儀改裝成常水頭試驗儀，見圖3，保證接頭不漏水。

2）試驗用水事先煮沸冷卻或排氣處理。

3）試驗前給試樣進行真空加水飽和，試樣必須完全飽和，飽和時間相對長一些，裝樣后用試驗水頭給水使土樣飽和，給水后注意排氣，粘性土的飽和穩(wěn)定時間為給水2 d以后。

4）飽和穩(wěn)定后，在測壓管AB管段充滿水，試驗前將水位調至零點，零點近似于試樣的最底點，沒到零點的加水到零點，放開D點的閥，排氣直至出水。

5）滲流穩(wěn)定后，用D點的出水量測試滲透系數(shù)，上游或下游測壓管的高度穩(wěn)定時記錄，其之間的差值為水頭損失。

6）飽和穩(wěn)定后根據粘粒的含量確定幾個比降值來做試驗驗，每個比降值做3次滲透試驗，3次滲透系數(shù)的值接近，目前判斷滲透穩(wěn)定標準為3次滲透系數(shù)變化不大或微變化。其它穩(wěn)定標準還有待觀察確定。做完第一個比降后改變水頭高度，進行下一個試驗水頭，提升水頭時，一定要緩慢提升，不要使試驗水頭晃動太大，造成試樣內部水流混亂，飽和為穩(wěn)定時間過長。重復幾次改變試驗水頭并記錄。達到地質任務書或滲透試驗的規(guī)范要求時結束試驗。

4 資料整理

試驗前已知數(shù)據：給定的試驗水頭h于上游測壓管h1相等，試樣高度L=4 cm；試樣面積A=30 cm2，開始水量Q1實測數(shù)椐：下游測壓管h2；終了水量Q2；溫度。

計算數(shù)據：水頭損失，△h=h1-h2；滲透流量，Q=Q1-Q2；

比降I=△h/L（注：在一定試驗水頭下，飽和穩(wěn)定時水頭損失△h是一定值，不同試驗水頭時，有不同的△h。）

計算方法：根據常水頭滲透試驗公式K=(Q/AT)·△h/L求不同滲透比降下的滲透系數(shù)，再根據v=ki（或v=q/A，v=Ki）求出滲透速度，根據所計算的滲透速度和滲透比降畫圖，做i～v曲線，比降為橫坐標，滲透速度為縱坐標，畫圖取直線段部分，取直線段延伸，截i軸與某一點，則該點的比降值即為起始比降。見圖2（b）。

5 結語

由于達西定律反映的是土介質之間的重力水的層流運動的規(guī)律，土介質之間存在的結合水、吸附水和毛細水等，其運動規(guī)律是不符合達西定律，所以在試驗過程中沒有考慮其對滲流的影響；土的飽和程度、粘滯性、溫度、濕度、試驗儀器的安裝對土也有一定的影響，所以試驗存在一定誤差。但經過多次試驗比對，此試驗方法可以使用。因沒有標準規(guī)范，儀器為改制，但基本上能滿足工程實踐中的分析應用，為此需要對此項試驗進行進一步的探討和研究。