实验二 渗透实验.doc

时间就是金钱，效率就是生命！实验二 渗透实验（实验性质：综合性实验）土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。在工程中常需要土的渗透性，例如基坑开挖排水时，需要了解土的渗透性，以配置合适的排水设备；在河滩上修筑渗水路堤时，需要考虑路堤填料的渗透性；在计算饱和粘性土上建筑物的沉降和时间的关系时，也需要掌握土的渗透性。一、渗流模型图2-1 渗流模型a)水在孔隙中的运动轨迹；b)理想化的渗流模型水在土中渗流，是在土颗粒间的孔隙中发生的。由于土体孔隙的性状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则，（如图2-1a）所示。如果只着眼于这种真实渗流情况的研究，不仅会使理论分析复杂化，同时，同时也会使实验观察变得异常困难。考虑到实际工程中，并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，因而可以对渗流作出如下的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只是一种假象的土体渗流，称之为渗流模型，如图2-1b所示。为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致还应该符合以下要求：（1）在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；（2）在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；（3）在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。有了渗流模型，就可以采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析计算。再分析一下渗流模型与真实渗流中的流速(单位时间内通过单位土截面的水量，m/s)之间的关系。在渗流模型中，设有过水断面积为A（m2）,通过的渗流量为q（单位时间内流过截面积为A的水量，m3/s）,则渗流模型的平均流速为： (2-1) 真实渗流仅发生在相应于断面A中所包含的孔隙面积A内，真实流速为： (2-2)于是 (2-3)式中：n为土体的孔隙率。因为孔隙率n1.0，所所以，即模型的平均流速要小于真实流速。由于真实流速很难测定，因此，工程上还是采用模型的平均流速v较为方便，一般情况下，如果没有特别说明，所说的流速均指模型的平均流速。二、土的层流渗透定律达西定律若土中孔隙水在压力梯度下发生渗流，如图2-2所示。对于土中a、b两点，已经测得a点的水头为H1，b点的水头为H2，水自高水头的a点流向低水头的b点，水流流径长度为l。由于土的孔隙较小，在大多数情况下水在孔隙中的渗流速度较小水在土的孔隙中流动时，大多数情况下流速较小，可以认为属于层流（即水流流线相互平行的流动）。则渗透速度与水力坡降成正比。当水力坡降为1时的渗透速度称为土的渗透系数。对于饱和土的渗透现象常用达西定律来表示。即 (2-4)或 (2-5)式中: 渗透速度（m/s）水力坡度.即沿着水流方向单位长度上的水头差渗透系数（m/s）渗透流量（m3/s），即单位时间内流过土截面积F的流量。由于达西定律只适用于层流的情况，故达西定律一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。对于粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土就不适合，因为这时水的渗流速度较大，已不再是层流而是紊流了。粘性土中的渗流规律也不完全符合达西定律，因此需进行修正。在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。克服此抗剪强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度I0。这样，在粘土中，应按下述修正后的达西定律计算渗流速度： (2-6)图2-3绘出了砂土与粘性土的砂土规律。直线表示砂土的关系，它是通过原点的一条直线。粘土的关系是曲线b（图中虚线所示），d点粘土的起始水头梯度，当土中水头梯度超过此值后水才开始渗流。一般常用折线c（图中oef线）代替曲线b，即认为e点是粘土的起始水头梯度I，其渗流规律用式（2-6）表示。图2-2 水在土中的渗流 图2-3 砂土和粘土的渗透规律三、土的渗透系数渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对于渗透计算有着非常重要的意义，渗透系数可以通过常水头或变水头渗透实验进行测定。（一） 常水头渗透系数及计算公式常水头渗透实验装置如图2-4所示。在圆柱形实验筒内装置土样，土的截面积为F（即实验筒截面积），在整个实验过程中土样的压力水头维持不变。在土样中选择两点a、b，两点的距离为，分别在两点设置测压管。实验开始时，水自上而下流经土样，待渗流稳定后，测得在时间t内通过土样的流量Q，同时测得a、b两点测压管的水头差为。则从式 可得：图2-4 常水头渗透试验示意图由此得土样的渗透系数k的计算公式为： （2-7）（二） 变水头渗透系数及计算公式变水头渗透实验装置示意图如图2-5所示。在实验筒内装置土样，土样的截面积为F，高度为。试样筒上设置储水管，储水管截面积为，在实验过程中储水管的水头不断减小。若实验开始时，储水管水头为h1，经过时间t后降为h2。在时间dt内水头降低了-dh，在在dt时间内通过土样的流量为：图2-5 变水头渗透试验示意图又从式2-5知故得 积分后得 由此求得渗透系数 (2-8)或 (2-9)（三） 成层土的渗透系数，若已知每层土的渗透系数，则成层土的渗透系数可用下述方法计算。图2-6表示土层由两层组成，两层土的渗透系数分别为k1、k2,厚度分别为h1和h2。考虑水平渗流时（水流方向与土层平行），如图2-6a所示。因为各层土层的水头梯度相同，总的流量等于各土层流量之和，总的截面积等于各土层截面积之和，即因此，土层水平流向的平均渗透系数kh为： （2-10） 图2-6 成层土的渗透系数考虑竖直向渗流时（水流方向与土层垂直），如图2-6b所示。则总的渗流等于每一土层的流量，总的截面积与每次土的截面积相同，总的水头损失等于每一层的水头损失之和。即由此得土层竖向的平均渗透系数kv为： （2-11）（四）影响土的渗透系数的因素影响土的渗透性的因素主要有以下几种：1 土的粒度成分及矿物成分土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及形状，因而影响土的渗透性。土的颗粒越粗、越浑圆、越均匀时，渗透性就越大。砂土中含有较多粉土及粘土颗粒时，其渗透性就大大降低。土的矿物成分对于卵石，砂土和粉土的渗透性影响不大，但对于粘土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低土的渗透性。含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。2结合水膜的厚度 粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。如钠粘土，由于钠离子的存在，使粘土颗粒的扩散层厚度增加，所以透水性很低。又如在粘土中加入高价离子的电解质（如Al、Fe等），会使土粒扩散层厚度减薄，粘土颗粒会凝聚成粒团，土的孔隙因而增大，这也将使土的渗透性增大。3土的结构构造 天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它的水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。4水的粘滞度 水在土中的渗流速度与水的密度及粘滞层有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的密度随温度变化很小，可略去不计，但水的动力粘滞层系数随温度变化而变化。故室内渗透实验时，同一种土在不同温度下会得到不同的渗透系数。在天然土层中，除了靠近地表的土层外，一般土中的温度变化很小，故可忽略温度的影响。但是室内试验的温度变化较大，故应考虑它对渗透系数的影响。目前常以水温为20时的k20作为标准值，在其他温度测定的渗透系数可按式（2-10）进行修正： (2-12)式中，分别为t时及20时水的动力粘滞系数（kPas）5土中气体当土孔隙中存在封闭气泡是，会阻塞水的渗流，从而降低土的渗透性。这种封闭气泡有时是由溶解于水中的气体分离出来而形成的，故室内渗透试验有时规定要用不含溶解空气的蒸馏水。四、实验方法图2-6 常水头渗透实验装置（70）1封底金属圆筒；2金属孔板；3测压孔；4玻璃测压管；5溢水孔；6渗水孔；7调节管；8滑动支架；9供水瓶；10供水管；11止水夹；12量筒；13温度计；14试样；15砾石层渗透实验可分为常水头渗透实验和变水头渗透实验两种方法，土的渗透系数变化范围很大，可从10-1cm/s变化到10-8cm/s，因此，土的渗透系数的测定应根据不同的土质情况，分别采用不同的试验方法。常水头渗透实验适用于粗粒土渗透系数的测定，而变水头渗透实验适用则适用于细粒土渗透系数的测定。对于粘性土，渗透系数一般很小，在水头差不大的情况下，通过土样的渗流十分缓慢且历时很长，可采用增加渗透压力的加荷渗透法测定土的渗透系数，从而可以加快试验过程。（一） 常水头渗透实验常水头渗透实验是指通过土样的渗流在越大的水头差影响下进行的1实验设备（1）70型渗透议，见图2-6；包括： 有底金属圆筒（高40cm,直径10cm） 金属网格（防在距筒底510cm处）； 测压孔3个，其中心距为10cm，与筒壁连接处装有筛布； 玻璃测压管，用橡皮管与测压管相连，固定于一直立木板上，旁有毫米尺，作测记水头之用，三管的零点应齐平。（2）容积5000mL的供水瓶；（3）容积500mL的量杯；（4）秒表（5）刻度050、精度0.5的温度计；（6）木制或金属制的击棒（7）其他，橡皮管、管夹、支架等。2操作步骤（1）将仪器按图装置好后，将调节管7与供水管9连通，使水流入仪器底部直至与网格齐平为止，然后管夹管11。（2）称取具有代表性的土样34kg，准确至1g；并测定土样的风干含水量，将风干试样装入金属圆筒的网格上，每层后23cm，用击棒轻轻捣实，并使其达到一定厚度，以控制其孔隙比。 若砂样中粘土颗粒较多，装试样前应在网格上加铺厚约2cm的粗砂，作为缓冲层，以防细颗粒被冲走。（3）每层试样装好后，缓缓开启管夹10，使水由仪器底部向上渗入，并使试管逐渐饱和，水流需缓慢，以棉冲走土样，且水面不得高出砂面，待试样饱和后，关上管夹10，同时注意测压管中水面情况及管子弯曲部分有无气泡。在管子弯曲部分如有气泡，须挤压连接测压孔及测压管的橡皮管，并用橡皮吸球在测压管上部连续抽吸，以除去管中空气。（4）如此连续分层装试样并饱和，直至试样表面较上测压孔高出34cm为止，同时检查三根测压管的水头是否齐平。量测试样面至筒顶的剩余高度，并于网络（或缓冲层顶面）至筒顶的高度相减，可得剩余高度h，称剩余试样的质量，精确的0.1g，计算所装试样总质量，并在试样上部填厚约2cm砾石层，放水至水面高出砾石面23cm时关上管夹10。（5）将调节管在支架上移动使其管口高于溢水孔5。关管夹10并将供水管9与调节管7分开，置于圆筒上部。开管夹10，使水由顶部注入仪器，至水面与溢水孔5齐平为止。多余的水则由溢水孔5溢出，以保持水头恒定。（6）检查测压管水头是否齐平，如不齐平，即表示仪有器漏水或集气现象，应检查校正。（7）测压管及管路校正无误后，即可开始进行实验。降低调节管7的管口，使其位于试样上部1/3高度处，使仪器中产生水头差，使水渗过试样，经调节管流出，此时圆筒中水面保持不变。（8）当测压管水头稳定后，测得测压管水头，并计算测压管、间的水头差及测压管、间的水头差。（9）开动秒表，同时用量筒接取调节管7经一定时间的渗透水量，并重复一次注意调节管口不可没入水中。（10）测记进水与出水处的水温，取其平均值。（11）降低调节管7管口至试样中部及下部1/3高度处，以改变水力坡度，按步骤（7）（10）重复进行实验。3成果整理（1）按式2-13式2-15计算试样的干密度和孔隙比：式中 风干试样总质量（g） 风干含水量(%)-试样干密度（g/cm3）试样高度（cm） 试样断面积（cm2） 试样孔隙比-土粒比重（2）按式2-16计算常水头渗透系数： (2-16)式中 水温T时试样的渗透系数（cm/s）时间t秒内的渗透水量两测压孔中心间的试样长度（cm） 平均水头差（cm） 试样断面积（cm2） 时间（s）（3）按式2-17计算水温为20时的渗透系数： (2-17)式中 水温20时试样的渗透系数（cm/s）水温为T时试样的渗透系数（cm/s）T时水的动力粘滞系数（kPa.s）20时水的动力粘滞系数(kPa.s)，比值与温度的关系可由表2-1查得。（4）在计算所得到的渗透系数中，取34个在允许差值范围内的数据，并求其平均值，作为试样在该孔隙比e下的渗透系数，渗透系数的允许差值不大于210-ncm/s。表2-1 水的动力粘滞系数、粘滞系数比、温度校正值温度()动力粘滞系数(kPas10-6)温度校正值温度()动力粘滞系数(kPas10-6)温度校正值5.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.016.517.01.5161.4981.4701.4491.4281.4071.3871.3671.3471.3281.3101.2921.2741.2561.2391.2231.2061.1181.1751.1601.1441.1301.1151.1011.0881.5011.4781.4551.4351.4241.3931.3731.3531.3341.3151.2971.2791.2611.2431.2271.2111.1941.1761.1681.1481.1331.1191.1041.0901.0771.171.191.211.231.251.271.281.301.321.341.361.381.401.421.441.461.481.501.521.541.561.581.601.621.6417.518.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.024.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.035.01.0741.0611.0481.0351.0221.0100.9980.9860.9740.9680.9520.9410.9190.8990.8790.8590.8410.8230.8060.7890.7730.7570.7420.7271.0661.0501.0381.0251.0121.0000.9880.9760.9640.9580.9430.9320.9100.8900.8700.8500.8330.8150.7980.7810.7650.7500.7350.7201.661.681.701.721.741.761.781.801.831.851.871.891.941.982.032.072.122.162.212.252.302.342.392.43（5）当进行不同孔隙比下的渗透实验时，应以孔隙比为纵坐标，渗透系数的对数为横坐标，绘制孔隙比与渗透系数的关系曲线。（二）变水头渗透实验变水头渗透实验是指通过土样的渗流在变化的水头压力影响下进行的渗透实验。1实验设备（1）55型渗透仪；见图2-8，由环刀、透水石、套筒、上盖和下盖组成。环刀内径61.8mm，高40mm，透水石的渗透系数应大于10-3cm/s；（2）变水头装置，由变水头管，供水瓶，进水管等组成，要求变水头管内径均匀且不大于1厘米，管外有精度1.00mm的刻度；（3）削土刀、凡士林、秒表、温度计等。 图2-8 变水头渗透实验装置 图2-9 渗透容器图1-变水头管；2-渗透容器；3-供水瓶 1-套筒；2-上盖；3-下盖；4-进水管；5-出水管4-接水源；5-止水夹；6-排水管；7-出水管 6-排水管；7-橡皮圈；8-螺栓；9-环刀；10-透水石2操作步骤（1）据工程需要用环刀切取原状土或制备一定密度的扰动土样。切取土样时要细心地将环刀垂直切入土样，修平土样两端，修平时不得用刀反复涂抹，以免堵塞孔隙或受压。 （2）在环刀外壁涂上一薄层凡士林油，然后将装有试样的环刀慢慢推入渗透仪套筒内，刮出多余的凡士林油。 （3）在渗透仪套筒内依次放入滤纸、透水石和止水垫圈，最后装上仪器上盖，并将螺丝杆拧紧，要求密封至不漏水不漏气。对不易透水的试样需进行抽气饱和；对饱和试样和较易透水的试样，可直接用变水头装置的水头进行试样饱和。（4）将仪器下端的进水口与变水头装置中的进水管连接，使水流入渗透仪内。打开排气管夹，并将渗透仪侧立，使排气管向上，当排气管流出的水不带气泡时，将排气管关闭，平放好渗透仪，使水由下而上地饱和试样。当排水管有水流出时，认为试样已达饱和。这时即可开始测定。（5）使测压管充水至需要的高度，切断测压管和供水瓶的连接。随即开动秒表，记录水头h1及时间t1经过时间t后，再测记水头h2及时间t2，并测记出水口的水温，如此再经相等的时间，重复测记二次。注意每次测定的水头差（h1-h2）应大于10厘米。（7）变换水头高度，以改变其水力坡度，并重复步骤56进行多次平行测定。3成果整理（1）计算土的渗透系数 （2-18）式中 水温为T时土样的渗透系数（cm/s） 变水头管的断面积（cm2） 试样的断面积（cm2） 渗径，即试样