滲透性試驗數(shù)據(jù)的研究

張洪霞

（中鐵第五勘察設計集團有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱150001）

土具有使水通過其孔隙滲流的性能稱為土的滲透性。滲透是指水在土孔隙中運動的現(xiàn)象，以達西定理表示為V=Ki，滲透試驗的目的是測定土的滲透系數(shù)K，其定義為單位水力坡降的滲透流速，常以cm/s 作為單位。以供設計與施工開挖工程中選擇排水，降水方法，計算斜坡穩(wěn)定，壩基滲流，確定路堤、河堤斷面浸潤線位置等。 滲透性試驗是土工試驗重要內(nèi)容之一，是土力學的基本內(nèi)容。土的滲透性的測定采用室內(nèi)試驗結果的較多，雖代表性有限，一般來說測定的K 值，只能作為參考。滲透試驗的分類按試驗操作地點可分為室外（原位測試）和室內(nèi)試驗，室內(nèi)試驗又分為常水頭和變水頭試驗。

本文主要研究常規(guī)室內(nèi)變水頭滲透試驗影響滲透性試驗數(shù)據(jù)。變水頭滲透試驗適用于粉土和黏性土；分為水平試驗和垂直試驗兩種。如果試驗結果與試驗真值偏離的較大，定會對建筑物的安全造成威脅。通過對兩種取樣方法滲透性數(shù)據(jù)的研究，土的滲透性與地應力、土的結構、飽和度、密度、試驗設備、方法、環(huán)境、人為等多方面因素有關，試驗操作中誤差也對土的滲透系數(shù)產(chǎn)生一定的影響。

1 變水頭滲透試驗簡介

1.1 滲透原理

大多自然土體都是三相體，即由固、液、氣三相物質(zhì)組成，固相土顆粒的作用是骨架，其間的孔隙可供液體以及氣體流動，所以土體必然存在滲透性。由于土顆粒間液體的流動，導致了水土壓力的變化，從而影響土的承載力。滲透系數(shù)是建筑設計施工過程中必須考慮的重要參數(shù)。

1.2 試驗原理

試驗儀器應符合試驗結果可靠合理，結構簡單，止水嚴密，易于排氣。儀器形式常用的是55 型滲透儀，變水頭實驗裝置簡圖如圖1，根據(jù)達西定律，利用同一時間內(nèi)經(jīng)過土樣的滲透流量與水頭量相等推導而得，求得滲透系數(shù)是測試溫度下的滲透系數(shù)。建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數(shù)k 的表達式。設試驗過程中任意時刻t 兩段的水頭h1，h2，差為△h，管中水位下降h，則t 時間內(nèi)流入試樣的水量為:V1=│ah│（││表示絕對值），式中a 為玻璃管斷面積；根據(jù)達西定律，t 時間內(nèi)流出試樣的滲流量為：

V2=k×i×A×t=k×（△h/L）×A×t 式中，A-試樣斷面積；L-試樣長度。

根據(jù)水流連續(xù)原理，應有V1=V2，即得到k=（a×L/A×t）ln（h1/h2）

或用常用對數(shù)表示，則上式可寫為k=2.3×（a×L/A×t）log（h1/h2）

圖1 變水頭滲透裝置

2 滲透試驗數(shù)據(jù)的研究

根據(jù)工程需要，用環(huán)刀在垂直或平行于土樣的層面切取原狀試樣進行試驗。一共做了50 組土樣(以哈爾濱軌道交通四號線一期1標段的一些粉質(zhì)粘土、粘土為主)，下面列舉8 組試樣的數(shù)據(jù)。（表1）

表1土樣兩種取樣方法數(shù)據(jù)對比

從表1 中看出,兩種取樣方法,所得的數(shù)據(jù)有差異,主要原因在以下幾個方面:

2.1 影響滲透系數(shù)最主要的因素之一是水與巖土之間存在的相互作用

巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水相互作用時巖土顯示出來的各種性質(zhì)。主要有容水性，持水性，給水性{粘砂土的給水度{(μ)0.15-0.10}，毛細管性{粉質(zhì)粘土Hc（300-350），粘土Hc（500-600）}，透水性。給水度在數(shù)值上等于容水度減去持水度，透水性是指在水的重力作用下，巖土容許水透過自身的性能。通常以滲透系數(shù)表示，就是本文所研究的內(nèi)容。水與巖土之間容水性，持水性，給水性和毛細管性必定對透水性有一定的影響。它們相互影響，互相作用。

2.2 從地應力分析

存在于地殼巖體內(nèi)的自然應力統(tǒng)稱為地應力。地應力分為初始應力和次生應力，初始應力由自重應力，構造應力和變異應力組成。地應力場不是固定不變，隨著時間而變化。工程實踐所涉及的地應力一般系指自重應力和構造應力。構造應力場是指地殼一部分的構造應力在平面和垂直方向上的分布情況及特征。地應力的一般特征是：地表淺處帶地應力受自重作用控制，這個帶薄厚不定。以自重為主的正常地應力帶內(nèi)，垂直地應力大于水平地應力。在地殼淺部分水平地應力大于垂直地應力是比較普遍的現(xiàn)象，水平地應力與垂直地應力的比值，我國大部分地區(qū)在0.8-1.2 之間。最小水平地應力與最大水平地應力的比值，我國一般為0.3-0.8，其中0.5-0.75 占50%以上。堅硬巖體內(nèi)地應力高，軟弱巖體內(nèi)地應力低。地應力受地形、地貌因素影響較大。地應力越大，土體就越密實，密度也越大，滲透系數(shù)反而越小。地層中水平向和垂直向的滲透性不一樣。

2.3 從土的結構分析

土的結構是指土的物質(zhì)組成(主要指土粒大小形狀、礦物成分、表面特征、土粒間的連結關系和土粒的排列情況，也包括孔隙)的空間相互排列，以及土粒間的聯(lián)結特征的綜合。它對土的物理力學性質(zhì)有重要的影響。土的結構在形成過程中，以及形成之后，當外界條件變化時(例如荷載條件、濕度條件、溫度條件或介質(zhì)條件的變化)，都會使土的結構發(fā)生變化。土有三種結構：單粒結構、蜂窩結構和絮狀結構，四種構造系：層狀結構、分散構造、裂隙構造和結核狀構造。土的滲透性是水流通過土孔隙的能力。顯然土的孔隙大小及形狀決定著滲透系數(shù)的大小，這也是影響滲透系數(shù)最主要的因素之一，因此，測定滲透系數(shù)時，必須說明與滲透系數(shù)相適應的土的密度狀態(tài)。從表1 密度一欄可以看出，密度越大，滲透系數(shù)越小。

2.4 人為制樣和方法的影響

室內(nèi)試驗的土樣如與其原來所處于的地層、深度、結構、環(huán)境狀態(tài)等等是基本一致的，測得的滲透系數(shù)能客觀反映土的原始的真實的力學性能?，F(xiàn)實取土過程中存在設備或是人為的操作影響，運輸中裝卸、防雨、防震、防曬等原因，使待測樣品在到達試驗室之前就產(chǎn)生了變化，表現(xiàn)為土樣包裝的部分缺失和土樣損壞、形變，甚至失水等等。土試樣的變化對于滲透系數(shù)的測試結果影響明顯，影響其密度的均勻性。

將內(nèi)壁涂有凡士林的環(huán)刀（61.8mm×40mm）,根據(jù)實驗需要垂直或水平壓入待測圓柱土體之中，環(huán)刀進入土體前使其受力均勻。用鋼絲鋸將環(huán)刀兩側刮平制成試樣，禁止用修土刀反復涂抹，反復涂抹會使試樣表面土顆粒多孔介質(zhì)結構變得密實，使得其透水性下降，使得滲透系數(shù)受影響。環(huán)刀內(nèi)壁涂抹凡士林，減少試樣與金屬間的摩擦，降低兩者之間的縫隙，使土體與環(huán)刀緊緊連接。未涂抹凡士林或凡士林涂抹不均勻，下刀時較軟土或不密實的試樣將會有部分土體脫落或試樣與環(huán)刀間有縫隙，使?jié)B透系數(shù)測試結果受影響。對天然土樣中含有雜質(zhì)，比如含有鐵錳結核、鈣質(zhì)結核、貝殼、碎石、樹根等不確定因素的影響，不同的人在切土過程中的處理方式是不一樣的。剔除土樣中突出環(huán)刀外的雜質(zhì)時，處理方法不同，操作方法不同，會對試驗結果產(chǎn)生影響。

滲透容器用螺母旋緊，以剛剛好為準，這工作經(jīng)驗很重要，并內(nèi)壁涂抹凡士林，太過緊對土樣有影響。開通閥門上水時，一定要緩慢進行，防止水流過急而產(chǎn)生氣泡，并密封至不漏水。讀數(shù)時，一定要平視，以水面凹面為準。對不易透水的黏性土樣要對土樣進行試驗前的抽氣飽和。試樣飽和是變水頭滲透的重要問題,土樣的飽和度愈小,土的孔隙內(nèi)殘留氣體愈多,使土的有效滲透面積減小,同時,由于氣體因孔隙水壓的變化面脹縮,因而飽和度的影響成為一個不定的因素,為了保證試驗準確度,要求試樣必須飽和,采用真空氣飽和法是有效的方法。

2.5 試驗用水、環(huán)境、設備的影響

水中含氣對滲透系數(shù)的影響主要是由于水中氣體分離，形成氣泡堵塞土的孔隙，致使?jié)B透系數(shù)逐漸降低，試驗中要求用無氣水，而且水溫高于室溫3-4℃，可避免水進入試樣因溫度升高而分解出氣泡。

土的滲透系數(shù)大小與水的動力黏度密切相關，水的動力黏度隨著水溫的升高而降低，水溫越低，水的粘滯性愈大，則滲透系數(shù)就越小，由于水的動力黏度受到溫度的影響，在進行滲透試驗時，不同的溫度也對應著不同的溫度校正值。規(guī)范規(guī)定了溫度的大小為讀取數(shù)值時出水口溫度的即時值。滲透試驗時間的記錄是一個時間段，對于較密實的土樣讀取數(shù)據(jù)間隔時間較長，溫度經(jīng)歷了不同的溫差以及溫度跨度，只記錄一個溫度點影響數(shù)據(jù)，必定對滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。

在實際操作中所使用的透水石，所用的計量器具示值不準、計量的不完整；設備的誤差，環(huán)境振動、粉塵、噪聲等；計量人員和操作人員技術熟練程度等等都能使?jié)B透系數(shù)受影響。

2.6 針對上述各方面影響的改進方法和建議措施或注意事項

在工作中，嚴格按照相關規(guī)范、規(guī)程、標準操作，取樣技術采用取到最接近原狀樣的方法，試樣飽和,采用真空氣飽和法是有效的方法。環(huán)刀在使用前應該沖洗擦拭干凈并充分烘干，在內(nèi)壁上均勻涂抹凡士林，進入土體前使其受力均勻。透水石一段時間后煮沸幾個小時，多次測量溫度并保持環(huán)境恒溫，試驗用水最好用實際作用于土中的天然水，采用的純水要脫氣。滲透試驗水箱要定期清洗幾次以避免水箱中雜質(zhì)聚積，堵塞出水口。測量值應多測幾次，試驗設備定期保養(yǎng)和養(yǎng)護。加強試驗人員的專業(yè)水平和熟練程度，這樣可以進一步保證實驗數(shù)據(jù)的真實性，準確性，可參考性，可靠性。

結束語

本文對室內(nèi)土工試驗中變水頭滲透試驗的各方面影響進行了分析和討論，影響滲透系數(shù)因素很多。地層中水平向和垂直向的滲透性不一樣。室內(nèi)所得試驗結果與天然狀態(tài)現(xiàn)場試驗的結果存在著一定差異，同一個土樣不同操作人員做出的試驗結果會有所不同，希望本文的結論可以給相關技術研究人員提供參考。