1渗透试验

土的渗透试验一、试验目的土具有被水透过的性能称为土的渗透性。渗透性质是土体的重要的工程性质，决定土体的强度性质和变形、固结性质。渗透试验主要是测定土体的渗透系数k。渗透系数的定义是单位水力坡降的渗透流速，常以cm/s作为单位。二、试验原理渗透试验原理就是在试验装置中测出渗流量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，代入(1-1)式计算出渗透系数。vki(1-1)由于土的渗透系数变化范围很大，自大于10-1cm/s到小于10-7cm/s，故实验室内常用两种不同的试验装置进行试验：常水头试验装置用来测定渗透系数k比较大的无凝聚性土的渗透系数；变水头渗透试验装置用来测定渗透系数k比较小的凝聚性土的渗透系数。本试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸法脱气。试验时的水温宜高于试验室温度3～4°C。三、试验设备及试验操作（一）常水头试验1.仪器设备金属封底圆筒、金属孔板、滤网、测压管和供水瓶金属圆筒内径为10cm，高40cm。当使用其他尺寸的圆筒时，圆筒内径应大于试样最大粒径的10倍。2.操作步骤（1）装好仪器，检查是否漏水。量测滤网至筒顶的高度，将调节管与供水管相连，由仪器底部充水至水位达到金属透水板顶面时，放入滤纸，关止水夹.（2）取代表性风干土样3~4kg，称重精确至1g，测定风干含水率；将风干土样分层装入圆筒内，每层2～3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度。当试样中含粘粒时，应在滤网上铺2cm厚的粗砂作为过滤层，防止细粒流失。每层试样装完后从渗水孔向圆筒充水至试样顶面，最后一层试样应高出测压管3～4cm，并在试样顶面铺2cm砾石作为缓冲层。当水面高出试样顶面时，应继续充水至溢水孔有水溢出。将调节管卸下，使管口高于圆筒顶面，观测三个测压管水位是否与孔口齐平。图4.1常水头渗透装置1—金属圆筒；2—金属孔板；3—测压孔；4—测压管；5—溢水孔；6—渗水孔；7—调节管；8—滑动架；9—供水管；10—止水夹；11—温度计；12—砾石层；13—试样；14—量杯；15—供水瓶（3）量试样顶面至筒顶高度，计算试样高度，称剩余土样的质量，计算试样质量。计算试样干密度和孔隙比；（4）检查测压管水位，当测压管与溢水孔水位不平时，用吸球调整测压管水位，直至两者水位齐平。（5）将调节管提高至溢水孔以上，将供水管放入圆筒内，开止水夹，使水由顶部注入圆筒，水面始终保持与渗透仪顶面齐平，同时降低调节管至试样上部1/3高度处，形成水位差使水渗入试样，经过调节管流出。调节供水管止水夹，使进入圆筒的水量多于溢出的水量，溢水孔始终有水溢出，保持圆筒内水位不变，试样处于常水头下渗透。（6）当测压管水位稳定后，测记水位。并计算各测压管之间的水位差。记录三个测压管水位H1，H2，H3,则测压管Ⅰ和Ⅱ水位差为h1=H1-H2，测压管Ⅱ和Ⅲ的水位差为h2=H2-H3。计算渗径长度为L=10cm的平均水位差h=(h1+h2)/2=(H1-H3)/2；按规定时间记录渗出水量，接取渗出水量时，调节管口不得浸入水中，测量进水和出水处的水温，取平均值。（7）开动秒表，用量筒接取经过一段时间Δt的渗流量ΔQ，量测渗透水的水温T°C；（8）改变调节管的高度，达到渗透稳定后，重复（6）、（7）的步骤，平行进行5~6次试验；（9）按式（1-2）计算每次量测的水温T°C时的渗透系数kti；QLktAh(1-2)（10）计算渗透系数均值：1ttikkN(1-3)（11）按下式折算到20°C时的渗透系数k20：2020ttkk(1-4)式中kT------水温为T°C时时试样的渗透系数（cm/s）；k20------标准温度时试样的渗透系数（cm/s）；Q--------时间t秒内的渗出水量(cm3)；L--------两测压管中心间的距离(cm)；A--------试样的断面积(cm2)；H--------平均水位差(cm)，平均水位差H可按(H1+H2)/2公式计算；t--------时间（s）；式中，t，20分别为水温T°C和20°C时水的动力粘滞系数（kPa·s）。粘滞系数比TT/20查《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）表13.1.3。（二）变水头试验1.仪器设备渗透容器、变水头管、供水瓶、进水管等组成。变水头管的内径应均匀，管径不大于lcm，管外壁应有最小分度为1.0mm的刻度，长度宜为2m左右。渗透容器：环刀、透水石、套环、上盖和下盖。环刀内径61.8mm，高40mm；透水石的渗透系数应大于10-3cm/s）。2.操作步骤(1)试样制备变水头渗透试验的试样分原状试样和扰动试样两种，其制备方法分别为：(a)原状试样：根据要测定的渗透系数的方向，用环刀在垂直或平行土层面方向切取原状试样，试样两端削平即可，禁止用修土刀反复涂抹。放入饱和器内抽气饱和（或其他方法饱和）；(b)扰动试样：当干密度较大（31.40/dgcm）时，用饱和度较低（St≤80%）土压实或击实办法制样；当干密度较低时，使试样泡于水中饱和后，制成需要干密度的饱和试样。(2)将盛有试样的环刀套入护筒，装好各部位止水圈。注意试样上下透水石和滤纸，按先后顺序装好，盖上顶盖，拧紧顶部螺丝，不得漏水漏气。(3)把装好试样的渗透仪进水口与水头装置（测压管）相连。利用供水瓶中的纯水向进水管注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排水阀，放平渗透容器，关进水管夹。(4)在向试样渗透前，先由底部排气嘴出水，排除底部空气至气嘴无气泡时，关闭排气嘴，水自下向上渗流，由顶部出水管排水。向变水头管注纯水。使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不应大于2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹，使水通过试样，当出水口有水滥出时开始测记变水头管中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。(5)将变水头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复5～6次，当不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内时，结束试验。(6)变水头渗透系数应按下式计算：2112log)(3.2HHttAaLkT(1－5)式中A----------变水头管的断面积（cm2）；2.3--------ln和log的变换因数；L----------渗径，即试样高度（cm）；t1，t2------分别为测读水头的起始和终止时间（s）；H1，H2_------起始和终止水头。四、试验数据记录与处理表一渗透试验（常水头法）试样高度：40cm干土质量：测压管间距：10cm试样面积：70cm土粒比重：试样孔隙比：试验次数经过时间(s)测压管水位(cm)水位差(cm)水力梯度i渗水量(cm3)渗透系数(cm/s)水温(°C)k20(cm/s)平均渗透系数(cm/s)IIIIIIh12h23h124.525.6221.6015.464.026.145.080.50887.61.01×10-123.89.22×10-29.22×10-2226.925.9122.0716.283.845.794.820.48290.59.97×10-223.89.14×10-2327.826.2922.9917.913.305.024.160.41681.31.00×10-123.89.20×10-2434.926.9124.4320.612.483.823.150.31576.59.94×10-223.89.11×10-2546.227.3125.6022.791.712.812.260.22675.29.94×10-223.89.43×10-2表二渗透试验（变水头法）（第一组）测压管内截面积a=0.308cm2试样高度L=4cm试样截面积A=30cm2试验次数经过时间(s)测压管水位(cm)渗透系数(cm/s)水温(°C)水温20°C渗透系数（cm/s）平均渗透系数(cm/s)h1h2178.693786.04×10-521.25.54×10-55.35×10-5294.873585.92×10-521.25.43×10-53117.653385.84×10-521.25.35×10-54159.833185.54×10-521.25.08×10-5（第二组）测压管内截面积a=0.308cm2试样高度L=4cm试样截面积A=30cm2试验次数经过时间(s)测压管水位(cm)渗透系数(cm/s)水温(°C)水温20°C渗透系数（cm/s）平均渗透系数(cm/s)h1h2181.293785.84×10-521.25.35×10-55.21×10-5297.273585.77×10-521.25.29×10-53120.853385.69×10-521.25.21×10-54163.233185.42×10-521.24.97×10-5对于变水头试验，我们采用了测两管水流，每管测4次的方法，最终得到两组试验数据，见上表二。由表中数据可以看出，随着时间的推移，实测的渗透系数减小了（即由第一组的5.35×10-5cm/s减小为5.21×10-5cm/s），这种现象与理论是一致的。五、注意事项(1)变水头试验中，每次测得的水头h1和h2的差值应大于10cm；(2)变水头试验过程中，若发现水流过快或出水口有混浊现象，应立即检查有无漏水或试样中是否出现集中渗流，若有，应重新制样试验；(3)渗透试验一定要用无气水作试验，否则，试验过程中水中的气泡会在试样内集中，使测得的渗透系数随渗透时间的延长不断减小，产生不允许的试验误差；(4)试验过程中，由于渗透力的作用，使土的干密度发生变化，从而使渗透系数发生变化，因此，渗透试验的时间不能太长，水头差不能太大；(5)规范规定采用水温20°C或10°C时的渗透系数作为标准渗透系数。