渗透性试验数据的研究

张洪霞

（中铁第五勘察设计集团有限公司东北分院，黑龙江 哈尔滨150001）

土具有使水通过其孔隙渗流的性能称为土的渗透性。渗透是指水在土孔隙中运动的现象，以达西定理表示为V=Ki，渗透试验的目的是测定土的渗透系数K，其定义为单位水力坡降的渗透流速，常以cm/s 作为单位。以供设计与施工开挖工程中选择排水，降水方法，计算斜坡稳定，坝基渗流，确定路堤、河堤断面浸润线位置等。 渗透性试验是土工试验重要内容之一，是土力学的基本内容。土的渗透性的测定采用室内试验结果的较多，虽代表性有限，一般来说测定的K 值，只能作为参考。渗透试验的分类按试验操作地点可分为室外（原位测试）和室内试验，室内试验又分为常水头和变水头试验。

本文主要研究常规室内变水头渗透试验影响渗透性试验数据。变水头渗透试验适用于粉土和黏性土；分为水平试验和垂直试验两种。如果试验结果与试验真值偏离的较大，定会对建筑物的安全造成威胁。通过对两种取样方法渗透性数据的研究，土的渗透性与地应力、土的结构、饱和度、密度、试验设备、方法、环境、人为等多方面因素有关，试验操作中误差也对土的渗透系数产生一定的影响。

1 变水头渗透试验简介

1.1 渗透原理

大多自然土体都是三相体，即由固、液、气三相物质组成，固相土颗粒的作用是骨架，其间的孔隙可供液体以及气体流动，所以土体必然存在渗透性。由于土颗粒间液体的流动，导致了水土压力的变化，从而影响土的承载力。渗透系数是建筑设计施工过程中必须考虑的重要参数。

1.2 试验原理

试验仪器应符合试验结果可靠合理，结构简单，止水严密，易于排气。仪器形式常用的是55 型渗透仪，变水头实验装置简图如图1，根据达西定律，利用同一时间内经过土样的渗透流量与水头量相等推导而得，求得渗透系数是测试温度下的渗透系数。建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数k 的表达式。设试验过程中任意时刻t 两段的水头h1，h2，差为△h，管中水位下降h，则t 时间内流入试样的水量为:V1=│ah│（││表示绝对值），式中a 为玻璃管断面积；根据达西定律，t 时间内流出试样的渗流量为：

V2=k×i×A×t=k×（△h/L）×A×t 式中，A-试样断面积；L-试样长度。

根据水流连续原理，应有V1=V2，即得到k=（a×L/A×t）ln（h1/h2）

或用常用对数表示，则上式可写为k=2.3×（a×L/A×t）log（h1/h2）

图1 变水头渗透装置

2 渗透试验数据的研究

根据工程需要，用环刀在垂直或平行于土样的层面切取原状试样进行试验。一共做了50 组土样(以哈尔滨轨道交通四号线一期1标段的一些粉质粘土、粘土为主)，下面列举8 组试样的数据。（表1）

表1土样两种取样方法数据对比

从表1 中看出,两种取样方法,所得的数据有差异,主要原因在以下几个方面:

2.1 影响渗透系数最主要的因素之一是水与岩土之间存在的相互作用

岩土的水理性质是指岩土与水相互作用时岩土显示出来的各种性质。主要有容水性，持水性，给水性{粘砂土的给水度{(μ)0.15-0.10}，毛细管性{粉质粘土Hc（300-350），粘土Hc（500-600）}，透水性。给水度在数值上等于容水度减去持水度，透水性是指在水的重力作用下，岩土容许水透过自身的性能。通常以渗透系数表示，就是本文所研究的内容。水与岩土之间容水性，持水性，给水性和毛细管性必定对透水性有一定的影响。它们相互影响，互相作用。

2.2 从地应力分析

存在于地壳岩体内的自然应力统称为地应力。地应力分为初始应力和次生应力，初始应力由自重应力，构造应力和变异应力组成。地应力场不是固定不变，随着时间而变化。工程实践所涉及的地应力一般系指自重应力和构造应力。构造应力场是指地壳一部分的构造应力在平面和垂直方向上的分布情况及特征。地应力的一般特征是：地表浅处带地应力受自重作用控制，这个带薄厚不定。以自重为主的正常地应力带内，垂直地应力大于水平地应力。在地壳浅部分水平地应力大于垂直地应力是比较普遍的现象，水平地应力与垂直地应力的比值，我国大部分地区在0.8-1.2 之间。最小水平地应力与最大水平地应力的比值，我国一般为0.3-0.8，其中0.5-0.75 占50%以上。坚硬岩体内地应力高，软弱岩体内地应力低。地应力受地形、地貌因素影响较大。地应力越大，土体就越密实，密度也越大，渗透系数反而越小。地层中水平向和垂直向的渗透性不一样。

2.3 从土的结构分析

土的结构是指土的物质组成(主要指土粒大小形状、矿物成分、表面特征、土粒间的连结关系和土粒的排列情况，也包括孔隙)的空间相互排列，以及土粒间的联结特征的综合。它对土的物理力学性质有重要的影响。土的结构在形成过程中，以及形成之后，当外界条件变化时(例如荷载条件、湿度条件、温度条件或介质条件的变化)，都会使土的结构发生变化。土有三种结构：单粒结构、蜂窝结构和絮状结构，四种构造系：层状结构、分散构造、裂隙构造和结核状构造。土的渗透性是水流通过土孔隙的能力。显然土的孔隙大小及形状决定着渗透系数的大小，这也是影响渗透系数最主要的因素之一，因此，测定渗透系数时，必须说明与渗透系数相适应的土的密度状态。从表1 密度一栏可以看出，密度越大，渗透系数越小。

2.4 人为制样和方法的影响

室内试验的土样如与其原来所处于的地层、深度、结构、环境状态等等是基本一致的，测得的渗透系数能客观反映土的原始的真实的力学性能。现实取土过程中存在设备或是人为的操作影响，运输中装卸、防雨、防震、防晒等原因，使待测样品在到达试验室之前就产生了变化，表现为土样包装的部分缺失和土样损坏、形变，甚至失水等等。土试样的变化对于渗透系数的测试结果影响明显，影响其密度的均匀性。

将内壁涂有凡士林的环刀（61.8mm×40mm）,根据实验需要垂直或水平压入待测圆柱土体之中，环刀进入土体前使其受力均匀。用钢丝锯将环刀两侧刮平制成试样，禁止用修土刀反复涂抹，反复涂抹会使试样表面土颗粒多孔介质结构变得密实，使得其透水性下降，使得渗透系数受影响。环刀内壁涂抹凡士林，减少试样与金属间的摩擦，降低两者之间的缝隙，使土体与环刀紧紧连接。未涂抹凡士林或凡士林涂抹不均匀，下刀时较软土或不密实的试样将会有部分土体脱落或试样与环刀间有缝隙，使渗透系数测试结果受影响。对天然土样中含有杂质，比如含有铁锰结核、钙质结核、贝壳、碎石、树根等不确定因素的影响，不同的人在切土过程中的处理方式是不一样的。剔除土样中突出环刀外的杂质时，处理方法不同，操作方法不同，会对试验结果产生影响。

渗透容器用螺母旋紧，以刚刚好为准，这工作经验很重要，并内壁涂抹凡士林，太过紧对土样有影响。开通阀门上水时，一定要缓慢进行，防止水流过急而产生气泡，并密封至不漏水。读数时，一定要平视，以水面凹面为准。对不易透水的黏性土样要对土样进行试验前的抽气饱和。试样饱和是变水头渗透的重要问题,土样的饱和度愈小,土的孔隙内残留气体愈多,使土的有效渗透面积减小,同时,由于气体因孔隙水压的变化面胀缩,因而饱和度的影响成为一个不定的因素,为了保证试验准确度,要求试样必须饱和,采用真空气饱和法是有效的方法。

2.5 试验用水、环境、设备的影响

水中含气对渗透系数的影响主要是由于水中气体分离，形成气泡堵塞土的孔隙，致使渗透系数逐渐降低，试验中要求用无气水，而且水温高于室温3-4℃，可避免水进入试样因温度升高而分解出气泡。

土的渗透系数大小与水的动力黏度密切相关，水的动力黏度随着水温的升高而降低，水温越低，水的粘滞性愈大，则渗透系数就越小，由于水的动力黏度受到温度的影响，在进行渗透试验时，不同的温度也对应着不同的温度校正值。规范规定了温度的大小为读取数值时出水口温度的即时值。渗透试验时间的记录是一个时间段，对于较密实的土样读取数据间隔时间较长，温度经历了不同的温差以及温度跨度，只记录一个温度点影响数据，必定对渗透系数产生影响。

在实际操作中所使用的透水石，所用的计量器具示值不准、计量的不完整；设备的误差，环境振动、粉尘、噪声等；计量人员和操作人员技术熟练程度等等都能使渗透系数受影响。

2.6 针对上述各方面影响的改进方法和建议措施或注意事项

在工作中，严格按照相关规范、规程、标准操作，取样技术采用取到最接近原状样的方法，试样饱和,采用真空气饱和法是有效的方法。环刀在使用前应该冲洗擦拭干净并充分烘干，在内壁上均匀涂抹凡士林，进入土体前使其受力均匀。透水石一段时间后煮沸几个小时，多次测量温度并保持环境恒温，试验用水最好用实际作用于土中的天然水，采用的纯水要脱气。渗透试验水箱要定期清洗几次以避免水箱中杂质聚积，堵塞出水口。测量值应多测几次，试验设备定期保养和养护。加强试验人员的专业水平和熟练程度，这样可以进一步保证实验数据的真实性，准确性，可参考性，可靠性。

结束语

本文对室内土工试验中变水头渗透试验的各方面影响进行了分析和讨论，影响渗透系数因素很多。地层中水平向和垂直向的渗透性不一样。室内所得试验结果与天然状态现场试验的结果存在着一定差异，同一个土样不同操作人员做出的试验结果会有所不同，希望本文的结论可以给相关技术研究人员提供参考。