關(guān)于粘土的毛細(xì)水上升高度測(cè)量方法的論述

劉刊 龐博 賈文 高博 楊曉晗

【摘要】粘土的毛細(xì)水上升高度是水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，但粘土的毛細(xì)水上升高度是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，《規(guī)范》中有明確粘土毛細(xì)上升高度具體室內(nèi)試驗(yàn)方法，但與現(xiàn)實(shí)工況觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)有誤?，F(xiàn)將測(cè)定粘土毛細(xì)水升高度的幾種方法做比較論述。

【關(guān)鍵詞】毛細(xì)水上升高度；浸沒(méi)

一、引言

評(píng)價(jià)水庫(kù)區(qū)浸沒(méi)與否一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是臨界地下水位埋深，進(jìn)行浸沒(méi)初判時(shí)一般臨界地下水位埋深按毛細(xì)水上長(zhǎng)升高度加上安全超高值；浸沒(méi)復(fù)判時(shí)農(nóng)作物區(qū)及建筑物區(qū)都需要考慮土層毛細(xì)水上升高度，由此可見(jiàn)，水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)是土的毛細(xì)水上升高度值。

二、方法介紹

1 現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)法

現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)毛細(xì)水上升高度，一種在浸沒(méi)區(qū)內(nèi)利用天基坑地下水揭露點(diǎn)，另一種為選擇合適的地點(diǎn)人工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露地下水點(diǎn)，肉眼觀(guān)察毛細(xì)水升高度值。其基本原理為由于毛細(xì)水上升區(qū)內(nèi)土層含水率較高導(dǎo)致土體顏色深，而非毛細(xì)水強(qiáng)烈上升區(qū)含水率較低而顏色淺，土體的含水率不同時(shí)導(dǎo)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(diǎn)距地下水位深度為毛細(xì)管水上升值。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

卡明斯基毛細(xì)儀法，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試土體毛細(xì)上升高度基本原理：存在于土的毛細(xì)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(yīng)力性質(zhì)的彎液面力。當(dāng)土層與地下水面接觸時(shí)，由于彎液面力的作用使毛細(xì)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(xì)水上升高度。本方法可以直接觀(guān)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(yàn)規(guī)程》TB10102—2010。這是目前唯一列入規(guī)程的粘土毛細(xì)水上升高度測(cè)試方法。具體試驗(yàn)過(guò)程是：

1）在試井（鉆孔）每15～20cm取土樣，測(cè)定土的天然含水率、塑限。

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

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

三、方法論述

1 現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)法：

優(yōu)點(diǎn)：觀(guān)測(cè)快速、直觀(guān)、方便。現(xiàn)場(chǎng)土體為原狀土，結(jié)構(gòu)未破壞，是綜合影響因素的結(jié)果，可獲得大量的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：但這種方法是比較粗的，觀(guān)察到的數(shù)值受很多因素的影響，比如溫度、風(fēng)力、光照程度、地下水埋藏、大氣濕潤(rùn)狀況等。該種方法觀(guān)察的數(shù)值在各種條件、時(shí)間、地點(diǎn)近于一致的情況下變化還是很大的。盡管如此，目測(cè)法是一種較為常用野外測(cè)定的方法，測(cè)得數(shù)值具有一定借鑒、參考價(jià)值。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：

卡明斯基毛細(xì)儀法，利用毛細(xì)水作用機(jī)理測(cè)定孔隙水的彎液面所能支持的下降的水柱高度。當(dāng)測(cè)壓管內(nèi)的負(fù)壓與毛細(xì)管內(nèi)的毛細(xì)力基本平衡時(shí)，測(cè)壓管下降的刻度就記錄為毛細(xì)水的上升高度，而實(shí)際情況并非如此。

毛細(xì)力與土的孔隙直徑成反比，孔隙越小，毛細(xì)力越大。但對(duì)于粘土，孔隙較小，孔隙中結(jié)合水富集，具有抗剪強(qiáng)度。在毛細(xì)水上升過(guò)程中土粒表面的結(jié)合水膜相互交疊，阻礙毛細(xì)水上升，毛細(xì)上升高度為毛細(xì)力和結(jié)合水阻力共同作用的結(jié)果。對(duì)于砂土而言，由于砂土孔隙較大，當(dāng)砂土與水接觸時(shí)，結(jié)合水阻力很小，只有毛細(xì)水參與現(xiàn)象，毛細(xì)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(yàn)規(guī)程》（TB10102—2010），是目前唯一列入規(guī)程的測(cè)試方法。毛細(xì)作用導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降的作用不大，主要地基持力層在飽水后強(qiáng)度不會(huì)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(wèn)題。鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院在新疆和青海等鹽漬土地區(qū)對(duì)對(duì)毛細(xì)管水上升高度規(guī)律的研究證實(shí)，含水量—塑限圖法確定的毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度，就能滿(mǎn)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(xì)水上升度值在水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題方面可以視為有效數(shù)據(jù)。

四、方法實(shí)踐

西南某工程毛細(xì)水上升高度的測(cè)量綜合采用這三種方法，成果如下：

五、結(jié)論

1）本次毛細(xì)水上升高度值確定采取了野外觀(guān)察，室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)及含水量—塑限圖法確定，分析認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察毛細(xì)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(xì)水上升高度值較為精確，取得的數(shù)值可滿(mǎn)足農(nóng)田及民房浸沒(méi)評(píng)價(jià)要求。

2）紅粘土毛細(xì)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(xiàn)：

[1]中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.大藤峽水利樞紐工程 水庫(kù)區(qū)紅粘土毛細(xì)水上升高度專(zhuān)題研究報(bào)告2014

[2]TB10102—2010 《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》