关于粘土的毛细水上升高度测量方法的论述

刘刊 庞博 贾文 高博 杨晓晗

【摘要】粘土的毛细水上升高度是水库浸没评价的一个重要指标，但粘土的毛细水上升高度是一个复杂的地质现象，《规范》中有明确粘土毛细上升高度具体室内试验方法，但与现实工况观测数据有误。现将测定粘土毛细水升高度的几种方法做比较论述。

【关键词】毛细水上升高度；浸没

一、引言

评价水库区浸没与否一个关键指标就是临界地下水位埋深，进行浸没初判时一般临界地下水位埋深按毛细水上长升高度加上安全超高值；浸没复判时农作物区及建筑物区都需要考虑土层毛细水上升高度，由此可见，水库浸没评价的一个重要指标是土的毛细水上升高度值。

二、方法介绍

1 现场观测法

现场观测毛细水上升高度，一种在浸没区内利用天基坑地下水揭露点，另一种为选择合适的地点人工现场开挖揭露地下水点，肉眼观察毛细水升高度值。其基本原理为由于毛细水上升区内土层含水率较高导致土体颜色深，而非毛细水强烈上升区含水率较低而颜色浅，土体的含水率不同时导致土体的稠度状态亦有区别，深颜色与浅颜色显著差别点距地下水位深度为毛细管水上升值。

2 室内试验

卡明斯基毛细仪法，室内试验测试土体毛细上升高度基本原理：存在于土的毛细管孔隙中的水，在固相、液相、气相三相交界面处形成了弯液面，产生了具有拉应力性质的弯液面力。当土层与地下水面接触时，由于弯液面力的作用使毛细水上升，直至液柱重量与弯液面力平衡，此水柱高度是就是毛细水上升高度。本方法可以直接观察到弯液面力能保持的水柱高度。

3 “含水率—塑限”图法

此方法列入《铁路工程土工试验规程》TB10102—2010。这是目前唯一列入规程的粘土毛细水上升高度测试方法。具体试验过程是：

1）在试井（钻孔）每15～20cm取土样，测定土的天然含水率、塑限。

2）以取样深度为纵坐标，以土的天然含水率为横坐标，绘制深度-含水率关系曲线。

3）以土层的塑限绘制竖直线段，竖直线段与含水率曲线最上面的交点，即为毛细水强烈上升高度的顶点。此点到地下水位的距离为毛细水强烈上升高度值。

三、方法论述

1 现场观测法：

优点：观测快速、直观、方便。现场土体为原状土，结构未破坏，是综合影响因素的结果，可获得大量的观测数据。缺点：但这种方法是比较粗的，观察到的数值受很多因素的影响，比如温度、风力、光照程度、地下水埋藏、大气湿润状况等。该种方法观察的数值在各种条件、时间、地点近于一致的情况下变化还是很大的。尽管如此，目测法是一种较为常用野外测定的方法，测得数值具有一定借鉴、参考价值。

2 室内实验：

卡明斯基毛细仪法，利用毛细水作用机理测定孔隙水的弯液面所能支持的下降的水柱高度。当测压管内的负压与毛细管内的毛细力基本平衡时，测压管下降的刻度就记录为毛细水的上升高度，而实际情况并非如此。

毛细力与土的孔隙直径成反比，孔隙越小，毛细力越大。但对于粘土，孔隙较小，孔隙中结合水富集，具有抗剪强度。在毛细水上升过程中土粒表面的结合水膜相互交叠，阻碍毛细水上升，毛细上升高度为毛细力和结合水阻力共同作用的结果。对于砂土而言，由于砂土孔隙较大，当砂土与水接触时，结合水阻力很小，只有毛细水参与现象，毛细水上升高度等于弯液面力。

3 含水率—塑限图法

此方法方法列入《铁路工程土工试验规程》（TB10102—2010），是目前唯一列入规程的测试方法。毛细作用导致土体结构强度大幅下降的作用不大，主要地基持力层在饱水后强度不会大幅度下降和地基持力层饱水后产生大量沉降变形或不均匀变形问题。铁道第一勘察设计院在新疆和青海等盐渍土地区对对毛细管水上升高度规律的研究证实，含水量—塑限图法确定的毛细水强烈上升高度，就能满足路基不受次生盐碱化和冻胀要求。含水量—塑限图法确定的毛细水上升度值在水库浸没问题方面可以视为有效数据。

四、方法实践

西南某工程毛细水上升高度的测量综合采用这三种方法，成果如下：

五、结论

1）本次毛细水上升高度值确定采取了野外观察，室内原状样试验及含水量—塑限图法确定，分析认为现场观察毛细水上升高度值较为粗糙，可作为为参考值使用，含水量—塑限图法确定土的毛细水上升高度值较为精确，取得的数值可满足农田及民房浸没评价要求。

2）红粘土毛细水上升高度值最大值为0.83m，最小值0.57m，平均值0.72m。

参考文献：

[1]中水东北勘测设计研究有限责任公司.大藤峡水利枢纽工程 水库区红粘土毛细水上升高度专题研究报告2014

[2]TB10102—2010 《鐵路工程土工试验规程》