關于粘土的毛細水上升高度測量方法的論述

劉刊 龐博 賈文 高博 楊曉晗

【摘要】粘土的毛細水上升高度是水庫浸沒評價的一個重要指標，但粘土的毛細水上升高度是一個復雜的地質(zhì)現(xiàn)象，《規(guī)范》中有明確粘土毛細上升高度具體室內(nèi)試驗方法，但與現(xiàn)實工況觀測數(shù)據(jù)有誤。現(xiàn)將測定粘土毛細水升高度的幾種方法做比較論述。

【關鍵詞】毛細水上升高度；浸沒

一、引言

評價水庫區(qū)浸沒與否一個關鍵指標就是臨界地下水位埋深，進行浸沒初判時一般臨界地下水位埋深按毛細水上長升高度加上安全超高值；浸沒復判時農(nóng)作物區(qū)及建筑物區(qū)都需要考慮土層毛細水上升高度，由此可見，水庫浸沒評價的一個重要指標是土的毛細水上升高度值。

二、方法介紹

1 現(xiàn)場觀測法

現(xiàn)場觀測毛細水上升高度，一種在浸沒區(qū)內(nèi)利用天基坑地下水揭露點，另一種為選擇合適的地點人工現(xiàn)場開挖揭露地下水點，肉眼觀察毛細水升高度值。其基本原理為由于毛細水上升區(qū)內(nèi)土層含水率較高導致土體顏色深，而非毛細水強烈上升區(qū)含水率較低而顏色淺，土體的含水率不同時導致土體的稠度狀態(tài)亦有區(qū)別，深顏色與淺顏色顯著差別點距地下水位深度為毛細管水上升值。

2 室內(nèi)試驗

卡明斯基毛細儀法，室內(nèi)試驗測試土體毛細上升高度基本原理：存在于土的毛細管孔隙中的水，在固相、液相、氣相三相交界面處形成了彎液面，產(chǎn)生了具有拉應力性質(zhì)的彎液面力。當土層與地下水面接觸時，由于彎液面力的作用使毛細水上升，直至液柱重量與彎液面力平衡，此水柱高度是就是毛細水上升高度。本方法可以直接觀察到彎液面力能保持的水柱高度。

3 “含水率—塑限”圖法

此方法列入《鐵路工程土工試驗規(guī)程》TB10102—2010。這是目前唯一列入規(guī)程的粘土毛細水上升高度測試方法。具體試驗過程是：

1）在試井（鉆孔）每15～20cm取土樣，測定土的天然含水率、塑限。

2）以取樣深度為縱坐標，以土的天然含水率為橫坐標，繪制深度-含水率關系曲線。

3）以土層的塑限繪制豎直線段，豎直線段與含水率曲線最上面的交點，即為毛細水強烈上升高度的頂點。此點到地下水位的距離為毛細水強烈上升高度值。

三、方法論述

1 現(xiàn)場觀測法：

優(yōu)點：觀測快速、直觀、方便。現(xiàn)場土體為原狀土，結(jié)構未破壞，是綜合影響因素的結(jié)果，可獲得大量的觀測數(shù)據(jù)。缺點：但這種方法是比較粗的，觀察到的數(shù)值受很多因素的影響，比如溫度、風力、光照程度、地下水埋藏、大氣濕潤狀況等。該種方法觀察的數(shù)值在各種條件、時間、地點近于一致的情況下變化還是很大的。盡管如此，目測法是一種較為常用野外測定的方法，測得數(shù)值具有一定借鑒、參考價值。

2 室內(nèi)實驗：

卡明斯基毛細儀法，利用毛細水作用機理測定孔隙水的彎液面所能支持的下降的水柱高度。當測壓管內(nèi)的負壓與毛細管內(nèi)的毛細力基本平衡時，測壓管下降的刻度就記錄為毛細水的上升高度，而實際情況并非如此。

毛細力與土的孔隙直徑成反比，孔隙越小，毛細力越大。但對于粘土，孔隙較小，孔隙中結(jié)合水富集，具有抗剪強度。在毛細水上升過程中土粒表面的結(jié)合水膜相互交疊，阻礙毛細水上升，毛細上升高度為毛細力和結(jié)合水阻力共同作用的結(jié)果。對于砂土而言，由于砂土孔隙較大，當砂土與水接觸時，結(jié)合水阻力很小，只有毛細水參與現(xiàn)象，毛細水上升高度等于彎液面力。

3 含水率—塑限圖法

此方法方法列入《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB10102—2010），是目前唯一列入規(guī)程的測試方法。毛細作用導致土體結(jié)構強度大幅下降的作用不大，主要地基持力層在飽水后強度不會大幅度下降和地基持力層飽水后產(chǎn)生大量沉降變形或不均勻變形問題。鐵道第一勘察設計院在新疆和青海等鹽漬土地區(qū)對對毛細管水上升高度規(guī)律的研究證實，含水量—塑限圖法確定的毛細水強烈上升高度，就能滿足路基不受次生鹽堿化和凍脹要求。含水量—塑限圖法確定的毛細水上升度值在水庫浸沒問題方面可以視為有效數(shù)據(jù)。

四、方法實踐

西南某工程毛細水上升高度的測量綜合采用這三種方法，成果如下：

五、結(jié)論

1）本次毛細水上升高度值確定采取了野外觀察，室內(nèi)原狀樣試驗及含水量—塑限圖法確定，分析認為現(xiàn)場觀察毛細水上升高度值較為粗糙，可作為為參考值使用，含水量—塑限圖法確定土的毛細水上升高度值較為精確，取得的數(shù)值可滿足農(nóng)田及民房浸沒評價要求。

2）紅粘土毛細水上升高度值最大值為0.83m，最小值0.57m，平均值0.72m。

參考文獻：

[1]中水東北勘測設計研究有限責任公司.大藤峽水利樞紐工程 水庫區(qū)紅粘土毛細水上升高度專題研究報告2014

[2]TB10102—2010 《鐵路工程土工試驗規(guī)程》