粘性土初始比降试验测试方法的探讨

刘 弘 ，王大放，王立姣

（1.中水东北公司工程勘察院试验中心，吉林长春130021；2.中水东北公司工程勘察院，吉林长春130021）

1 试验原理

根据土在层流条件下，渗透速度与能量间关系的渗流规律，即达西定律,采用试验装置见图1，其中h1，h2分别为1，2断面处的测压管水头；△h=h1-h2；即为经过土样渗流长度L后的水头损失——常水头差。达西定律为单位时间内的渗出水量 q与水力梯度 i和圆筒断面积 A成正比，且与土的透水性质有关，即写成等式为：

图1 试验装置

式中：q——单位渗水量，cm3/s；v——断面平均渗透速度，cm／s；i——水力梯度，表示单位渗流长度上的水头损失，或称水力比降；k——为土的渗透系数，K=(Q/AT)△h/L。它相当于水力梯度 i＝1时的渗透速度，故其量纲与渗透速度相同，cm/s。

达西定律表明在层流状态中，渗透速度v与水力梯度i的一次方成正比，如图 2(a)所示。故达西定律又称线性渗透定律，适用于做层流运动的地下水。由于粘性土的渗流速度很小所以是层流运动，适用于达西定律。对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。将这一开始发生渗透时的水力梯度称为粘性土的起始水力梯度 。一些试验资料表明，当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还会偏离达西定律而呈非线性 关系，如图 2(b)中的实线所示。其中直线部分是符合达西定律的。曲线段为不符合达西定律的，粘土的渗透速度与水力梯度的关系，并以下式表示：

式中：i0——粘土的起始水力梯度；其余符号意义同前。

2 试验方法

根据达西定律原理，制定了测试饱和粘性土的起始比降的试验方法供其在工程应用中参考和研究。首先从较小的比降开始做渗透试验，求出几个不同比降下粘性土的渗透系数，根据达西定律 求出渗透速度，然后做i～v曲线，取直线段延伸，截i轴与某一点，则该点的比降值即为起始比降。

图2 土的渗透比降与渗透速度关系图

图3 常水头试验仪

规范规定常水头渗透试验适用砂性土，变水头渗透试验适用粘性土。但测试粘性土的初始比降必须用常水头试验法，我们解决这一问题的原理是：由于砂性土能较快地获得渗透稳定，渗透要素不随时间变化，为稳定渗流状态，符合达西定律，此时渗透系数K=Q/At（l/△h），△h不随时间变化，是一稳定数，因此用常水头试验测试。当粘性土渗透试验在开始渗流时不能很快地达到渗透稳定状态，v=K（△h（t）/l），此时△h水头损失随时间变化，即是时间的函数，为非稳定流状态，此时用变水头试验求渗透系数K=2.3/((a.l)/At)log(h1/h2)。当随着饱和稳定时间的加长，渗流变化成稳定流的状态时，此时的渗透试验用常水头方法测渗透系数和水头损失认为是可行的，因此粘性土用常水头试验方法测试,只有加长饱和稳定时间使粘性土的非稳定流状态变化成稳定流状态，渗透系数和水头损失准确性更高一些，判断渗透稳定的标准为渗透系数变化不大。

3 试验步骤

1）根据达西试验的原理，将南55型渗透仪改装成常水头试验仪，见图3，保证接头不漏水。

2）试验用水事先煮沸冷却或排气处理。

3）试验前给试样进行真空加水饱和，试样必须完全饱和，饱和时间相对长一些，装样后用试验水头给水使土样饱和，给水后注意排气，粘性土的饱和稳定时间为给水2 d以后。

4）饱和稳定后，在测压管AB管段充满水，试验前将水位调至零点，零点近似于试样的最底点，没到零点的加水到零点，放开D点的阀，排气直至出水。

5）渗流稳定后，用D点的出水量测试渗透系数，上游或下游测压管的高度稳定时记录，其之间的差值为水头损失。

6）饱和稳定后根据粘粒的含量确定几个比降值来做试验验，每个比降值做3次渗透试验，3次渗透系数的值接近，目前判断渗透稳定标准为3次渗透系数变化不大或微变化。其它稳定标准还有待观察确定。做完第一个比降后改变水头高度，进行下一个试验水头，提升水头时，一定要缓慢提升，不要使试验水头晃动太大，造成试样内部水流混乱，饱和为稳定时间过长。重复几次改变试验水头并记录。达到地质任务书或渗透试验的规范要求时结束试验。

4 资料整理

试验前已知数据：给定的试验水头h于上游测压管h1相等，试样高度L=4 cm；试样面积A=30 cm2，开始水量Q1实测数椐：下游测压管h2；终了水量Q2；温度。

计算数据：水头损失，△h=h1-h2；渗透流量，Q=Q1-Q2；

比降I=△h/L（注：在一定试验水头下，饱和稳定时水头损失△h是一定值，不同试验水头时，有不同的△h。）

计算方法：根据常水头渗透试验公式K=(Q/AT)·△h/L求不同渗透比降下的渗透系数，再根据v=ki（或v=q/A，v=Ki）求出渗透速度，根据所计算的渗透速度和渗透比降画图，做i～v曲线，比降为横坐标，渗透速度为纵坐标，画图取直线段部分，取直线段延伸，截i轴与某一点，则该点的比降值即为起始比降。见图2（b）。

5 结语

由于达西定律反映的是土介质之间的重力水的层流运动的规律，土介质之间存在的结合水、吸附水和毛细水等，其运动规律是不符合达西定律，所以在试验过程中没有考虑其对渗流的影响；土的饱和程度、粘滞性、温度、湿度、试验仪器的安装对土也有一定的影响，所以试验存在一定误差。但经过多次试验比对，此试验方法可以使用。因没有标准规范，仪器为改制，但基本上能满足工程实践中的分析应用，为此需要对此项试验进行进一步的探讨和研究。