滲透性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究

張洪霞

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)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(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，以達(dá)西定理表示為V=Ki，滲透試驗(yàn)的目的是測(cè)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(shè)計(jì)與施工開挖工程中選擇排水，降水方法，計(jì)算斜坡穩(wěn)定，壩基滲流，確定路堤、河堤斷面浸潤(rùn)線位置等。 滲透性試驗(yàn)是土工試驗(yàn)重要內(nèi)容之一，是土力學(xué)的基本內(nèi)容。土的滲透性的測(cè)定采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的較多，雖代表性有限，一般來(lái)說測(cè)定的K 值，只能作為參考。滲透試驗(yàn)的分類按試驗(yàn)操作地點(diǎn)可分為室外（原位測(cè)試）和室內(nèi)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)又分為常水頭和變水頭試驗(yàn)。

本文主要研究常規(guī)室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)影響滲透性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。變水頭滲透試驗(yàn)適用于粉土和黏性土；分為水平試驗(yàn)和垂直試驗(yàn)兩種。如果試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)真值偏離的較大，定會(huì)對(duì)建筑物的安全造成威脅。通過對(duì)兩種取樣方法滲透性數(shù)據(jù)的研究，土的滲透性與地應(yīng)力、土的結(jié)構(gòu)、飽和度、密度、試驗(yàn)設(shè)備、方法、環(huán)境、人為等多方面因素有關(guān)，試驗(yàn)操作中誤差也對(duì)土的滲透系數(shù)產(chǎn)生一定的影響。

1 變水頭滲透試驗(yàn)簡(jiǎn)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(dòng)，所以土體必然存在滲透性。由于土顆粒間液體的流動(dòng)，導(dǎo)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(shè)計(jì)施工過程中必須考慮的重要參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)儀器應(yīng)符合試驗(yàn)結(jié)果可靠合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，止水嚴(yán)密，易于排氣。儀器形式常用的是55 型滲透儀，變水頭實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1，根據(jù)達(dá)西定律，利用同一時(shí)間內(nèi)經(jīng)過土樣的滲透流量與水頭量相等推導(dǎo)而得，求得滲透系數(shù)是測(cè)試溫度下的滲透系數(shù)。建立瞬時(shí)達(dá)西定律，即可推出滲透系數(shù)k 的表達(dá)式。設(shè)試驗(yàn)過程中任意時(shí)刻t 兩段的水頭h1，h2，差為△h，管中水位下降h，則t 時(shí)間內(nèi)流入試樣的水量為:V1=│ah│（││表示絕對(duì)值），式中a 為玻璃管斷面積；根據(jù)達(dá)西定律，t 時(shí)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(zhǎng)度。

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

或用常用對(duì)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(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。一共做了50 組土樣(以哈爾濱軌道交通四號(hào)線一期1標(biāo)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(duì)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(gè)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(shí)巖土顯示出來(lái)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(xì)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(xì)管性必定對(duì)透水性有一定的影響。它們相互影響，互相作用。

2.2 從地應(yīng)力分析

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

土的結(jié)構(gòu)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(jié)關(guān)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(jié)特征的綜合。它對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。土的結(jié)構(gòu)在形成過程中，以及形成之后，當(dāng)外界條件變化時(shí)(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(huì)使土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土有三種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)瘟＝Y(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)，四種構(gòu)造系：層狀結(jié)構(gòu)、分散構(gòu)造、裂隙構(gòu)造和結(jié)核狀構(gòu)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(cè)定滲透系數(shù)時(shí)，必須說明與滲透系數(shù)相適應(yīng)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(yàn)的土樣如與其原來(lái)所處于的地層、深度、結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)等等是基本一致的，測(cè)得的滲透系數(shù)能客觀反映土的原始的真實(shí)的力學(xué)性能?，F(xiàn)實(shí)取土過程中存在設(shè)備或是人為的操作影響，運(yùn)輸中裝卸、防雨、防震、防曬等原因，使待測(cè)樣品在到達(dá)試驗(yàn)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(duì)于滲透系數(shù)的測(cè)試結(jié)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(shí)驗(yàn)需要垂直或水平壓入待測(cè)圓柱土體之中，環(huán)刀進(jìn)入土體前使其受力均勻。用鋼絲鋸將環(huán)刀兩側(cè)刮平制成試樣，禁止用修土刀反復(fù)涂抹，反復(fù)涂抹會(huì)使試樣表面土顆粒多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，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(shí)較軟土或不密實(shí)的試樣將會(huì)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(cè)試結(jié)果受影響。對(duì)天然土樣中含有雜質(zhì)，比如含有鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)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(shí)，處理方法不同，操作方法不同，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

滲透容器用螺母旋緊，以剛剛好為準(zhǔn)，這工作經(jīng)驗(yàn)很重要，并內(nèi)壁涂抹凡士林，太過緊對(duì)土樣有影響。開通閥門上水時(shí)，一定要緩慢進(jìn)行，防止水流過急而產(chǎn)生氣泡，并密封至不漏水。讀數(shù)時(shí)，一定要平視，以水面凹面為準(zhǔn)。對(duì)不易透水的黏性土樣要對(duì)土樣進(jìn)行試驗(yàn)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(shí),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(gè)不定的因素,為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)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(yàn)用水、環(huán)境、設(shè)備的影響

水中含氣對(duì)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(yàn)中要求用無(wú)氣水，而且水溫高于室溫3-4℃，可避免水進(jìn)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(dòng)力黏度密切相關(guān)，水的動(dòng)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(dòng)力黏度受到溫度的影響，在進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí)，不同的溫度也對(duì)應(yīng)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(shí)出水口溫度的即時(shí)值。滲透試驗(yàn)時(shí)間的記錄是一個(gè)時(shí)間段，對(duì)于較密實(shí)的土樣讀取數(shù)據(jù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，溫度經(jīng)歷了不同的溫差以及溫度跨度，只記錄一個(gè)溫度點(diǎn)影響數(shù)據(jù)，必定對(duì)滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。

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

2.6 針對(duì)上述各方面影響的改進(jìn)方法和建議措施或注意事項(xiàng)

在工作中，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)操作，取樣技術(shù)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(yīng)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(jìn)入土體前使其受力均勻。透水石一段時(shí)間后煮沸幾個(gè)小時(shí)，多次測(cè)量溫度并保持環(huán)境恒溫，試驗(yàn)用水最好用實(shí)際作用于土中的天然水，采用的純水要脫氣。滲透試驗(yàn)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(cè)量值應(yīng)多測(cè)幾次，試驗(yàn)設(shè)備定期保養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)。加強(qiáng)試驗(yàn)人員的專業(yè)水平和熟練程度，這樣可以進(jìn)一步保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，準(zhǔn)確性，可參考性，可靠性。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)室內(nèi)土工試驗(yàn)中變水頭滲透試驗(yàn)的各方面影響進(jìn)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(yàn)結(jié)果與天然狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果存在著一定差異，同一個(gè)土樣不同操作人員做出的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有所不同，希望本文的結(jié)論可以給相關(guān)技術(shù)研究人員提供參考。