土工试验渗透试验指导书

渗透试验第一节概述渗透是水在多孔介质中运动的现象。土体为多孔介质，水能够在土的孔隙中流动的特性叫土的渗透性。若渗透水流在土中呈层流状态流动，则满足达西定律，即渗汉速度v与水力梯度I成正比，表达式为：v=k·i式中：k——渗透系数，cm/s；v=q/A,渗流速度，cm/s；i=h/L,水力梯度；q——单位时间渗流量，cm3/s；A——垂直渗流方向的横截面积cm2；h——水位差，cm；L——渗径长度，cm。渗透试验的目的就是测量渗透系数k。由土的渗透系数评价土的渗透性大小，计算水工建筑物渗流量等。第二节试验原理渗透试验原理就是在试验装置中测出渗流量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，代入公式（8-1）计算出渗透系数。由于土的渗透系数变化范围很大，自大于10-1cm/s到小于10-7cm/s。实验室内常用两种不同的试验装置进行试验：常水头试验装置用来测定渗透系数k比较大的无凝聚性土的渗透系数；变水头渗透试验装置用来测定渗透系数K较小的凝聚性土的渗透系数。特殊设计的变水头试验测定粗粒土渗透系数和常水头试验测定渗透性极小的粘性土渗透系数也很常用。一、常水头试验常水头试验装置如图8-1所示。试验时，由于供水瓶不断补充水，使土样上游水位保持不变。出水口位置可调，一旦固定好出水口位置，上下游水位差就固定了。当达到稳定渗流后，三个测压管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中水位即为定值。测压管Ⅰ～Ⅱ和Ⅱ～Ⅲ间渗径长度均为L=10cm，设从测压管后标尺上读出的测压管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水位分别为H1、H2、H3，可得在L长度上平均水头为：（8-2）用量筒测定渗流量，若△t时段内测得的渗出水量为△Q，则渗流速度为：v=△Q/(△t·A)(8-3)将公式（8-2）、（8-3）代入（8-1）得到：k=(8-4)公式（8-4）即为常水头法渗透试验系数计算公式。二、变水头试验变水头试验测定渗透系数的装置见图8-2。试验时，与试样底部相连的玻璃压管1内充一定高度的水，自试样底向试样顶渗透，从试样顶部的出水口7流出。对于饱和土体的渗流，出水口水后单位时间测压管内的水渗入试样量应等于出水口排出的量，即渗流量。设t1时刻测压管中水位与出水口水位差为h1,到t2时刻水位差降为h2。设在（t1,t2）时段内某一时刻t，进出水口水位差为h，经过dt时段后，测压管中水位降低dh见图8-2。若测压管内截面积为a，试样横截面积为A，试样高度为L。t时刻，土样中的平均水力梯度为：（8-5）dt时段内的渗出水量为:dQ=-adh,由此得到渗流速度为：(8-6)将式（8-5）、（8-6）代入式（8-1）得：时间从t1时刻到t2时刻，进出口水位差从h1到h2代入上式作定积分：得到变水头渗透试验的渗透系数计算公式如下：（8-7）第三节试验设备及试验操作一、常水头试验1．仪器设备，常水头渗透试验所需主要仪器调设备包括：（1）70型渗透仪见图8-1所示：圆柱形试样筒总高40cm，内径9.44cm(内截面积A=70cm2)，金属透水板顶面到圆筒顶面高32cm。三个测压管孔的相邻中心距L=10cm。（2）附属设备：木锤、秒表、天平等。2．操作步骤：常水头渗透试验操作步骤如下：（1）按图8-1装好仪器，检查各管与试样筒接头处是否漏水。将调节管与供水管相连，由仪器底部充水至水位达到金属透水板顶面时，放入滤纸，关止水夹：（2）取代表性风干土样3—4kg，称重精确至lg，测定风干含水率；（3）将试样分层装入仪器，据预定孔隙比控制试样密度。每层装完后从调节管进水至试样顶面。最后一层应高出上测压管孔3～4cm。待最后一层试样饱和后，继续使水位上升至圆筒顶面。将调节管卸下，使管口高于圆筒顶面，观察三个测压管水位是否与孔口平齐；（4）量测试样顶面至筒顶余高，计算出试样高度。称量剩余土样，计算出装入土（试样）质量，计算试样干密度和孔隙比；（5）供水管向圆筒顶面供水，使水面始终保持与渗透仪顶面齐平（试验操作表明保持水位与溢水孔面平齐较困难），同时降低调节管高度，形成自上向下方向的渗流。固定调节管在某一高度。壹段时间以后，三个测压管水位达到稳定值，表明形成稳定渗流场；（6）记录三个测压管水位H1、H2、H3。则测压管Ⅰ和Ⅱ的水位差为h1=H1-H2,测压管Ⅱ和Ⅲ的水位差为h2=H2-H3。计算渗径长度为L=10cm的平均水位差h=（h1+h2）/2=(H1-H2)/2；（7）开动秒表，用量筒接取经过一段时间△Q，量测渗透水的水温T0C；（8）改变调节管的高度，达到渗透稳定徨，重复（6）、（7）的步骤，平行进行5～6次试验；（9）按公式（8-4）计算每次量测的水温T0C时的渗透系数Kti；（10）计算渗透系数均值：（8-8）（11）按下式折算到200C时的渗透系数K20：K20=K1（8-9）式中：分别为水温T0C和200C时水的动力粘滞系数，见表8-3。二、变水头试验1．仪器设备：变水头试验使用仪器如下：（1）改进南55型渗透仪见图8-2，试样高L=4cm,试样横截面积A=30cm2；（2）辅助设备：切土器、秒表、温度计、削土刀、凡士林等。2．操作步骤：变水头试验操作步骤如下：（1）试样制备变水头渗透试验的试样分原状试样和扰动试样两种，其制备方法分别为：（a）原状试样：根据要测定的渗透系数和方向，用环刀在垂直或平行土层面方向切取原状试样，试样两端削平即可，禁止用修土刀复涂抹。放入饱和器内抽气饱和（或其它方法饱和）；(b)扰动试样：当干密度较大（）时，用饱和度较低（Sr≤80%）土压实或击实办法制样；当干密度较低时，使试样泡于水中饱和后，制成需要干密度的饱和试样。（2）将盛有试样的环刀套入护筒，装好各部位止水圈。注意试样上下透水石和滤纸按先后顺序装好，盖上顶盖，拧紧顶部螺丝，不得漏水漏气；（3）把装好试样的渗透仪进水口与水头装置（测压管）相连。注意及时向测压管中补充水源，补水时，关闭进水口；（4）在向试样渗透前，先由底部排气嘴出水，排除底部空气，至排气嘴无气泡时，关闭排气嘴，水自下向上渗流，由顶部出水管排水；（5）待出水管有水流出后，开始测定试验数据。记录t=t1时，上下游水位差h1;t=