室内变水头渗透试验黏性土不易透水原因分析

王 卉

土在水头差的作用下会引起渗透，一是渗漏，二是渗流。饱和土地基在建筑物荷载作用下产生压缩（固结）变形需经过一定时间才能稳定，而经历时间的长短与渗透性直接有关。在分析饱和土地基沉降和时间的关系时，需要知道土的渗透性；开挖基坑时遇到地下水则需要根据土的渗透性估算涌水量，以配置排水设备，所有这些都离不开土的渗透性。对于砂性土和松散状态的各种土样，室内渗透试验结果与现场实际测得的结果相差不大，试验数据的可靠性和参考性具有实际意义。而如果遇到坚硬的老黏土，在室内做变水头渗透试验，按照《土工试验规程》（SL237-1999）和《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中的操作方法操作，老黏土室内渗透试验不易渗水。鉴于此，有必要对黏性土室内试验不易透水问题进行原因分析。

一、渗透试验的目的

渗透试验是为测定土的渗透系数。渗透系数是工程设计与施工中选择开挖工程排水、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、建筑物基础扬压力等十分重要的指标。土的渗透系数的大小表示土中水流过的难易程度。砂性土由于土的孔隙比大，较松散，水易通过流出，所以渗透系数就大；而粘性土由于土样密实，孔隙比小，所以渗透系数就偏小。渗透系数是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的指标。渗透系数可以通过室内和现场试验直接测定。

二、目前室内渗透试验的方法

按《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中的规定，室内渗透试验的方法按其原理可分为两大类，即常水头法和变水头法。常水头法适用于透水性较大的无粘性土（渗透系数大于10-4cm/s）；变水头法适用于透水性较小的粉土、粘性土（渗透系数小于10-4～10-7cm/s）。而变水头试验又分为水平试验和垂直试验两种，根据需要用环刀在垂直或平行于土样的层面切取原状试样，并对土样进行充分饱和。在一定水头差的作用下，静置一段时间，待出水管口有水溢出时再开始进行试验测定。室内渗透试验对于黏性土，按《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）和《土工试验规程》（SL237-1999）中的规定在室内做变水头渗透试验，土样安装后，理论上说土样经饱和后，在一定压力水头差的作用下应该会透水，因为土样中有孔隙。而实际操作中，往往土样数天后都不易透水，即便是透水，渗透系数也很小，甚至小于10-8cm/s。渗透试验的结果如果不准确，对建筑物的安全会造成一定隐患。

三、黏性土不易透水原因分析

黏性土室内渗透试验不易透水，有试验土样自身的原因，也有客观原因。如果天然土样本身孔隙很小很密实，试验土样安装后，多日都不透水，也属正常现象。但是对于某些客观原因造成的不易透水问题，就要认真加以分析，排除一切客观原因，提供科学的试验数据。

1.试样厚度、透水石及人为因素的影响

上述标准中规定，渗透试验所使用的环刀内径要求为61.8mm，高度为40mm；从标准中规定的环刀高度来看，渗透试验40mm的环刀高度，比一般做密度、直剪和压缩试验等的环刀高度要多出20mm，其他试验所用环刀的高度均为20mm，环刀内径与其他的内径相同。由于渗透试验所用环刀的高度为40mm，试验土样的厚度增加了一倍，试验水头通过土体的渗径长度也增加了一倍，终将影响到渗透系数。因此渗透试验环刀高度为40mm是影响试验结果的一个重要因素。

标准中规定透水石的渗透系数应大于10-3cm/s，而在实际的操作中，由于透水石每天都在使用，细小土颗粒难免会堵塞透水石，即便是每天试验结束后都用专用工具清洗，也无法保证透水石的渗透系数始终大于10-3cm/s。因此透水石的透水性是影响渗透试验结果的重要因素，可以通过清洗、更换透水石等方法加以避免。

在开土过程中，渗透试验所选土样的切削方法，标准中是有明确规定的，如果开土者不按标准要求切削土样，势必会造成土样孔隙被堵塞和扰动，最终会影响到渗透系数。

2.土粒的大小、颗粒的级配、土的孔隙比及饱和度影响

土样颗粒的粒径愈粗，土粒的平均尺寸就愈大，土的渗透性就好；颗粒级配越是良好，土粒直径不均匀，密实度增加，渗透系数就越小。土样松散土的孔隙比大，土样的透水性就好；反之，土样密实土的孔隙比小，土颗粒的粒径小，粘粒含量越大，土样的透水性就越不好。土的孔隙比大小决定着渗透系数的大小，土样的密实度增加，孔隙比就减小。土的饱和程度决定着土的渗透性，土样饱和度越大，土样越饱和，土样就易透水；反之，土样不饱和，土样就不易透水。土的渗透性随着饱和度的增加而增加。在实际操作中，对土样按标准规定的要求进行饱和后，要测土样饱和后的含水率、密度及饱和度，以确定土样完全饱和。

3.土的组成、水温、试验用水及水的粘滞性的影响

对于含粘土矿物的土体，土粒四周水膜厚度对渗透性的影响很大。水的粘滞性对渗透系数的影响也很大，水的粘滞性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。鉴于温度对土的渗透系数影响很大，在做渗透试验时要测量水的温度，按标准中的规定，温度要高于室温3℃～4℃。如果试验用水不经脱气或脱气不彻底，在试验过程中会形成很厚的水膜，堵塞土中的孔隙，降低土样的渗透性，从而影响土样的渗透系数。

综上所述，在找出了影响黏性土不易透水的诸多原因之后，现对试验土样的厚度对试验结果的影响做进一步的分析。同一土样分别用不同环刀高度切取试验土样，按规程中的要求分别切取40mm厚度和20mm厚度的试验土样20组，分别安装在渗透仪中，并对40组土样进行比对分析。由于篇幅有限，只列举10个土样的结果，如表1。

表1 黏性土不同土样厚度室内变水头渗透系数统计表

表1中渗透系数采用土样的渗径长度L分别为40mm和20mm计算求得。从表中可以看出，同一土样，试验土样的厚度不同，所得试验结果也有所不同。试验土样厚度为20mm的平均渗透试验结果比40mm的数据要大，20mm厚的土样3天以上不透水个数比40mm要少10%左右。

四、结语

影响土的渗透性的因素很多，找出影响土的渗透系数的因素十分必要。对于室内渗透试验，试验所使用的环刀高度为40mm，笔者认者认为是影响试验透水性的一个主因素，是影响黏性土不易透水的最主要的原因，建议尽快修订《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中对渗透试验所用环刀的高度要求。而在使用室内渗透试验结果时，对有争议的试验数据，要做进一步的分析进行筛选。黏粒含量小于15%的粘性土渗透系数小于10-6cm/s，黏粒含量大于30%的粘性土渗透系数大于10-5cm/s，这两种情况都是有问题的，偏离了试验真值，需要有针对性地对试验数据进行分析，根据上述影响渗透试验结果的各种因素，逐一对应分析，找出造成渗透系数出现异常的原因，以提供更为科学和准确的试验数据■