常水头渗透试验原理和误差原因分析

高 强

福建省建科院检验检测有限公司（361000）

0 引言

沿海城市由于地域的限制，原有城市规模已无法满足城市化发展的需要和人们对美好生活的期望。为解决土地资源稀缺问题，吹填造地被广泛地运用在实际工程中，同时排水固结加速沉降过程也在地基处理中发挥了举足轻重的作用。排水固结技术中材料的渗透系数主导了地基处理最终的效果，因此准确地测得砂的渗透系数，可以为吹填造地工程的设计和施工提供理论依据，同时也可用以检测施工质量。了解渗透试验的原理和操作步骤，熟悉操作步骤中产生误差的原因并且注意避免相应的误差，确切地测得砂的渗透系数，在具体工程中可以发挥重要的作用。

1 试验原理

常水头渗透试验的原理为达西定律，表述为单位时间内的渗透水量Q与试样的断面积A和水力坡度i=ΔH/L为正比例关系且与砂的透水特性有关,渗透系数通过试验记录渗透水量Q、两测压孔中心之间的样品高度L、平均水位差H以及所用时间t，就可以计算得到样品的常水头渗透系数。

2 试验方法

《公路土工试验规程》JTG E40—2007 中规定，室内常水头渗透试验所用仪器应满足下列要求:有封底圆筒，高40 cm、内径10 cm；金属孔板距筒底6 cm；有三个距离为10 cm 的测压孔，与筒边连接处有钢丝罩面。

前期需要对砂进行最大干密度和比重试验，并根据实际需要的孔隙比制作试样，分层填筑，用木锤轻轻击实到要求厚度，以满足孔隙比。每层样品装入仪器后，用水使样品慢慢饱水；如此分层填筑、饱水，直到样品高度超出测压管高度3～4 cm 为止。在制备的样品上面铺1～2 cm 厚的碎石作为缓冲层，调节水面高出碎石层约2 cm。使水由试样顶面流入，至水平面达到溢水孔高度为止。调整水力坡降，即改变调节管的位置，以保持仪器内水面不变。记录水位的差值，启动秒表；同时测量一段时间内的出水量，并再次测量数据，记录秒表读数和水温。最后按照公式计算常水头渗透系数，并换算为20 ℃水温时试样的常水头渗透系数[1]。

3 常水头渗透试验误差产生的原因分析

根据误差产生的原因，按照误差的特性，可以把测量误差分成系统误差、过失误差和随机误差。试验中要留意和研究各种系统误差产生的原因，注意规避过失误差的出现。常水头渗透试验的数值与很多因素都有关系，如人员操作、原材料、仪器设备、方法、环境等。找到引起误差的原因，分析其对试验造成的影响，并且找到解决办法，才能得到真实的试验结果。

3.1 人员操作原因

《公路土工试验规程》JTG E40—2007 中要求，试样分层填筑完成后，需要从圆筒上部注水至水面与溢水孔齐平。这就要求试验人员在制作试样、分层填筑的时候，要按照试验步骤精细化制样，在试样饱和过程中要注意饱和速度，因为逐渐饱和才可以排除样品中的气体，降低试验误差。试验过程中，在测压管水位不变后，需要记录水位，得到水位的差值。实际试验过程中，往往会出现测压管1 和测压管2的水位差与测压管2 和测压管3 的水位差不相等的情况，这是由于试验人员在制样的时候没有把握好每层样品的孔隙比，造成样品制备的不均匀，进而导致结果不准确。一些试验人员对规范理解的不透彻，不明白试验的基本原理，甚至无证上岗；一些试验人员在试验过程中缺乏耐心，导致试验结果偏差较大。

表1 为同一种试样、相同孔隙比条件下，制备试样均匀和不均匀两种情况的试验结果对比。

从表1 可以看出:同样的样品，其试样是否均匀对最终的常水头渗透系数试验结果的准确性会产生很大影响。

3.2 材料原因

在试验中有一项重要工作就是样品质量控制。样品是否具有代表性是试验能否成功的关键所在，这对取样和制样操作提出了更高的要求，取样、制样要严格遵守操作规程，不得随意省略步骤[2]。样品应该具有代表性，但在实际取样过程中，可能由于取样人员的疏忽而导致试验样品跟现场用到的材料差别很大，得到的常水头渗透系数试验结果较比实际结果有较大偏离；或者由于试验人员没有采用四分法取样而导致试样不具有代表性，影响了试验数据的精确度。

3.3 仪器设备原因

试验结果出现系统误差的原因通常是设备本身出现了问题，试验室仪器精度是影响试验结果的重要因素[3]。仪器设备因老旧而无法满足试验要求、仪器尺寸不符合规范要求、测压管上的橡皮管开裂老化等都会影响试验结果，应该使用经国家法定计量单位检定合格并在有效期内的仪器进行试验。加强对仪器的维护，以保障其检测精度、延长其使用寿命。

3.4 方法原因

《公路土工试验规程》JTG E40—2007 要求，试验用水在试验前需要用抽气法或煮沸法脱气，试验过程中的水温宜高于室内温度3 ℃～4 ℃。有些试验人员为图方便，在试验中直接采用未经脱气的蒸馏水或者自来水，导致试验得出的常水头渗透系数偏小。表2 为在试验中采用脱气蒸馏水和未脱气蒸馏水的结果对比。

表2 试验用水对常水头渗透系数试验结果的影响

从表2 可以看出，测试前是否对试验用水进行抽气或煮沸处理，对常水头渗透系数试验结果会产生很大的影响。水中含有的气体对渗透试验造成干扰，是因为水中气体分离变成气泡阻塞了砂的孔隙，使得试验样品的渗透系数减小。同时试验中水温高于室内温度3 ℃～4 ℃，可以避免水进入砂中并因温度上升而分离出气泡，进而影响试验结果。

3.5 环境原因

在试验过程中，要尽量保持室温恒定，同时要准确记录进水处和出水处的水温。水的动力黏滞系数会随着温度的升高而减小，水的动力黏滞系数与渗透系数成反比例关系。如果试验过程中室内温度变化很大，得到的试验结果与真实值之间就会存在较大的偏差。水的黏滞性对渗透系数的影响较大。水的黏滞性会随着水温的降低而变大，水温越低，水的黏滞性越大，则渗透系数就越小；反之，水温高，渗透系数则较大[4]。

4 结语

根据以上分析，建议室内常水头渗透试验前应对试验用水进行脱气处理，并且试验时水温宜高于室内温度3 ℃～4 ℃。制备样品时，要分层填筑，保证整体孔隙率相同，保证试样的均匀性。试验人员要严格按照规范中要求的试验步骤进行操作，试验前要检查仪器是否满足规范要求，采用四分法分样，保证数据的精确性；试验过程中尽量保持室温恒定，避免因室温波动而对试验结果造成干扰。试验人员是确保检测结果正确性和可靠性的关键因素，必须通过不断的深入学习和探讨来提升自身的专业技能，以保证检测数据的准确性和可靠性。