粘性土初始比降試驗測試方法的探討

劉 弘 ，王大放，王立姣

（1.中水東北公司工程勘察院試驗中心，吉林長春130021；2.中水東北公司工程勘察院，吉林長春130021）

1 試驗原理

根據(jù)土在層流條件下，滲透速度與能量間關(guān)系的滲流規(guī)律，即達西定律,采用試驗裝置見圖1，其中h1，h2分別為1，2斷面處的測壓管水頭；△h=h1-h2；即為經(jīng)過土樣滲流長度L后的水頭損失——常水頭差。達西定律為單位時間內(nèi)的滲出水量 q與水力梯度 i和圓筒斷面積 A成正比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)，即寫成等式為：

圖1 試驗裝置

式中：q——單位滲水量，cm3/s；v——斷面平均滲透速度，cm／s；i——水力梯度，表示單位滲流長度上的水頭損失，或稱水力比降；k——為土的滲透系數(shù)，K=(Q/AT)△h/L。它相當(dāng)于水力梯度 i＝1時的滲透速度，故其量綱與滲透速度相同，cm/s。

達西定律表明在層流狀態(tài)中，滲透速度v與水力梯度i的一次方成正比，如圖 2(a)所示。故達西定律又稱線性滲透定律，適用于做層流運動的地下水。由于粘性土的滲流速度很小所以是層流運動，適用于達西定律。對于密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當(dāng)水力梯度達到某一數(shù)值，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。將這一開始發(fā)生滲透時的水力梯度稱為粘性土的起始水力梯度 。一些試驗資料表明，當(dāng)水力梯度超過起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還會偏離達西定律而呈非線性 關(guān)系，如圖 2(b)中的實線所示。其中直線部分是符合達西定律的。曲線段為不符合達西定律的，粘土的滲透速度與水力梯度的關(guān)系，并以下式表示：

式中：i0——粘土的起始水力梯度；其余符號意義同前。

2 試驗方法

根據(jù)達西定律原理，制定了測試飽和粘性土的起始比降的試驗方法供其在工程應(yīng)用中參考和研究。首先從較小的比降開始做滲透試驗，求出幾個不同比降下粘性土的滲透系數(shù)，根據(jù)達西定律 求出滲透速度，然后做i～v曲線，取直線段延伸，截i軸與某一點，則該點的比降值即為起始比降。

圖2 土的滲透比降與滲透速度關(guān)系圖

圖3 常水頭試驗儀

規(guī)范規(guī)定常水頭滲透試驗適用砂性土，變水頭滲透試驗適用粘性土。但測試粘性土的初始比降必須用常水頭試驗法，我們解決這一問題的原理是：由于砂性土能較快地獲得滲透穩(wěn)定，滲透要素不隨時間變化，為穩(wěn)定滲流狀態(tài)，符合達西定律，此時滲透系數(shù)K=Q/At（l/△h），△h不隨時間變化，是一穩(wěn)定數(shù)，因此用常水頭試驗測試。當(dāng)粘性土滲透試驗在開始滲流時不能很快地達到滲透穩(wěn)定狀態(tài)，v=K（△h（t）/l），此時△h水頭損失隨時間變化，即是時間的函數(shù)，為非穩(wěn)定流狀態(tài)，此時用變水頭試驗求滲透系數(shù)K=2.3/((a.l)/At)log(h1/h2)。當(dāng)隨著飽和穩(wěn)定時間的加長，滲流變化成穩(wěn)定流的狀態(tài)時，此時的滲透試驗用常水頭方法測滲透系數(shù)和水頭損失認(rèn)為是可行的，因此粘性土用常水頭試驗方法測試,只有加長飽和穩(wěn)定時間使粘性土的非穩(wěn)定流狀態(tài)變化成穩(wěn)定流狀態(tài)，滲透系數(shù)和水頭損失準(zhǔn)確性更高一些，判斷滲透穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為滲透系數(shù)變化不大。

3 試驗步驟

1）根據(jù)達西試驗的原理，將南55型滲透儀改裝成常水頭試驗儀，見圖3，保證接頭不漏水。

2）試驗用水事先煮沸冷卻或排氣處理。

3）試驗前給試樣進行真空加水飽和，試樣必須完全飽和，飽和時間相對長一些，裝樣后用試驗水頭給水使土樣飽和，給水后注意排氣，粘性土的飽和穩(wěn)定時間為給水2 d以后。

4）飽和穩(wěn)定后，在測壓管AB管段充滿水，試驗前將水位調(diào)至零點，零點近似于試樣的最底點，沒到零點的加水到零點，放開D點的閥，排氣直至出水。

5）滲流穩(wěn)定后，用D點的出水量測試滲透系數(shù)，上游或下游測壓管的高度穩(wěn)定時記錄，其之間的差值為水頭損失。

6）飽和穩(wěn)定后根據(jù)粘粒的含量確定幾個比降值來做試驗驗，每個比降值做3次滲透試驗，3次滲透系數(shù)的值接近，目前判斷滲透穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為3次滲透系數(shù)變化不大或微變化。其它穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)還有待觀察確定。做完第一個比降后改變水頭高度，進行下一個試驗水頭，提升水頭時，一定要緩慢提升，不要使試驗水頭晃動太大，造成試樣內(nèi)部水流混亂，飽和為穩(wěn)定時間過長。重復(fù)幾次改變試驗水頭并記錄。達到地質(zhì)任務(wù)書或滲透試驗的規(guī)范要求時結(jié)束試驗。

4 資料整理

試驗前已知數(shù)據(jù)：給定的試驗水頭h于上游測壓管h1相等，試樣高度L=4 cm；試樣面積A=30 cm2，開始水量Q1實測數(shù)椐：下游測壓管h2；終了水量Q2；溫度。

計算數(shù)據(jù)：水頭損失，△h=h1-h2；滲透流量，Q=Q1-Q2；

比降I=△h/L（注：在一定試驗水頭下，飽和穩(wěn)定時水頭損失△h是一定值，不同試驗水頭時，有不同的△h。）

計算方法：根據(jù)常水頭滲透試驗公式K=(Q/AT)·△h/L求不同滲透比降下的滲透系數(shù)，再根據(jù)v=ki（或v=q/A，v=Ki）求出滲透速度，根據(jù)所計算的滲透速度和滲透比降畫圖，做i～v曲線，比降為橫坐標(biāo)，滲透速度為縱坐標(biāo)，畫圖取直線段部分，取直線段延伸，截i軸與某一點，則該點的比降值即為起始比降。見圖2（b）。

5 結(jié)語

由于達西定律反映的是土介質(zhì)之間的重力水的層流運動的規(guī)律，土介質(zhì)之間存在的結(jié)合水、吸附水和毛細水等，其運動規(guī)律是不符合達西定律，所以在試驗過程中沒有考慮其對滲流的影響；土的飽和程度、粘滯性、溫度、濕度、試驗儀器的安裝對土也有一定的影響，所以試驗存在一定誤差。但經(jīng)過多次試驗比對，此試驗方法可以使用。因沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，儀器為改制，但基本上能滿足工程實踐中的分析應(yīng)用，為此需要對此項試驗進行進一步的探討和研究。