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土的渗透试验
一、 试验目的
土具有被水透过的性能称为土的渗透性。渗透性质是土体的重要的工程性质，决定土体的强度性质和变形、固结性质。渗透试验主要是测定土体的渗透系数k。渗透系数的定义是单位水力坡降的渗透流速，常以cm/s 作为单位。
二、 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(1-1)式计算出渗透系数。
(1-1)

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，故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比较小的凝聚性土的渗透系数。
本试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸法脱气。试验时的水温宜高于试验室温度3～4°C。

三、 试验设备及试验操作
（一） 常水头试验
1. 仪器设备
金属封底圆筒、金属孔板、滤网、测压管和供水瓶
金属圆筒内径为10cm，高40cm。当使用其他尺寸的圆筒时，圆筒内径应大于试样
最大粒径的10 倍。
2. 操作步骤
（1）装好仪器，检查是否漏水。量测滤网至筒顶的高度，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1g，测定风干含水率；将风干土样分层装入圆筒内，每层2～3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度。当试样中含粘粒时，应在滤网上铺2cm 厚的粗砂作为过滤层，防止细粒流失。每层试样装完后从渗水孔向圆筒充水至试样顶面，最后一层试样应高出测压管3～4cm，并在试样顶面铺2cm 砾石作为缓冲层。当水面高出试样顶面时，应继续充水至溢水孔有水溢出。将调节管卸下，使管口高于圆筒顶面，观测三个测压管水位是否与孔口齐平。

图4.1 常水头渗透装置
1—金属圆筒；2—金属孔板；3—测压孔；4—测压管；5—溢水孔；6—渗水孔；
7—调节管；8—滑动架；9—供水管；10—止水夹；11—温度计；12—砾石层；
13—试样；14—量杯；15—供水瓶

（3）量试样顶面至筒顶高度，计算试样高度，称剩余土样的质量，计算试样质量。计算试样干密度和孔隙比；
（4）检查测压管水位，当测压管与溢水孔水位不平时，用吸球调整测压管水位，直至两者水位齐平。
（5）将调节管提高至溢水孔以上，将供水管放入圆筒内，开止水夹，使水由顶部注入圆筒，水面始终保持与渗透仪顶面齐平，同时降低调节管至试样上部1/3 高度处，形成水位差使水渗入试样，经过调节管流出。调节供水管止水夹，使进入圆筒的水量多于溢出的水量，溢水孔始终有水溢出，保持圆筒内水位不变，试样处于常水头下渗透。
（6）当测压管水位稳定后，测记水位。并计算各测压管之间的水位差。记录三个测压管水位H1，H2，H3,则测压管Ⅰ和Ⅱ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- H3)/2；按规定时间记录渗出水量，接取渗出水量时，调节管口不得浸入水中，测量进水和出水处的水温，取平均值。

（7）开动秒表，用量筒接取经过一段时间Δt的渗流量ΔQ，量测渗透水的水温T°C；
（8）改变调节管的高度，达到渗透稳定后，重复（6）、（7）的步骤，平行进行5~6次试验；
（9）按式（1-2）计算每次量测的水温T°C时的渗透系数kti；
(1-2)
（10）计算渗透系数均值：
(1-3)
（11）按下式折算到20°C时的渗透系数k20：
(1-4)
式中 kT ------水温为T°C 时时试样的渗透系数（cm/s）；
k20 ------标准温度时试样的渗透系数（cm/s）；
Q--------时间t 秒内的渗出水量(cm3)；
L--------两测压管中心间的距离(cm)；
A--------试样的断面积(cm2)；
H--------平均水位差(cm)，平均水位差H 可按( H1 + H2 ) / 2 公式计算；
t--------时间（s）；
式中，，分别为水温T°C和20°C时水的动力粘滞系数（kPa·s）。粘滞系数比T hT /h20 查《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）表13.1.3。
（二） 变水头试验
1.仪器设备
渗透容器、变水头管、供水瓶、进水管等组成。变水头管的内径应均匀，管径不大于lcm，管外壁应有最小分度为1.0mm 的刻度，长度宜为2m 左右。
渗透容器：环刀、透水石、套环、上盖和下盖。
环刀内径61.8mm，高40mm；透水石的渗透系数应大于10-3 cm/s）。
2.操作步骤
(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的方向，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，禁止用修土刀反复涂抹。放入饱和器内抽气饱和（或其他方法饱和）；(b)扰动试样：当干密度较大（）时，用饱和度较低（St≤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。利用供水瓶中的纯水向进水管注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排水阀，放平渗透容器，关进水管夹。
(4)在向试样渗透前，先由底部排气嘴出水，排除底部空气至气嘴无气泡时，关闭排气嘴，水自下向上渗流，由顶部出水管排水。向变水头管注纯水。使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不应大于2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹，使水通过试样，当出水口有水滥出时开始测记变水头管中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。
(5)将变水头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复5～6 次，当不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内时，结束试验。
(6)变水头渗透系数应按下式计算：
(1－5)
式中
A----------变水头管的断面积（cm2）；
2.3--------ln 和log 的变换因数；
L----------渗径，即试样高度（cm）；
t1，t2------分别为测读水头的起始和终止时间（s）；
H1，H2_------起始和终止水头。
四、 试验数据记录与处理

表一 渗透试验（常水头法）

试样高度：40 cm 干土质量： 测压管间距：10cm
试样面积：70 cm 土粒比重： 试样孔隙比：
试验
次数

经过
时间
(s)
测压管水位(cm)
水位差(cm)
水力梯度
i
渗水量(cm3)
渗透
系数
(cm/s)
水温(°C)
k20
(cm/s)
平均渗透系数(cm/s)
I
II
III
h12
h23
h
1
24.5
25.62
21.60
15.46
4.02
6.14
5.08
0.508
87.6
1.01×10-1
23.8
9.22×10-2
9.22×10-2
2
26.9
25.91
22.07
16.28
3.84
5.79
4.82
0.482
90.5
9.97×10-2
23.8
9.14×10-2
3
27.8
26.29
22.99
17.91
3.30
5.02
4.16
0.416
81.3
1.00×10-1
23.8

9.20×10-2
4
34.9
26.91
24.43
20.61
2.48
3.82
3.15
0.315
76.5
9.94×10-2
23.8
9.11×10-2
5
46.2
27.31
25.60
22.79
1.71
2.81
2.26
0.226
75.2
9.94×10-2
23.8
9.43×10-2

表二 渗透试验（变水头法）

（第一组）
测压管内截面积a=0.308cm2 试样高度L=4cm 试样截面积A=30cm2
试验
次数

经过
时间
(s)
测压管水位(cm)
渗透
系数
(cm/s)
水温(°C)
水温20°C
渗透系数
（cm/s）
平均渗透系数(cm/s)
h1
h2
1
78.6
93
78
6.04×10-5
21.2
5.54×10-5
5.35×10-5
2
94.8
73
58
5.92×10-5
21.2
5.43×10-5
3
117.6
53
38
5.84×10-5
21.2
5.35×10-5
4
159.8
33
18
5.54×10-5
21.2
5.08×10-5

（第二组）
测压管内截面积a=0.308cm2 试样高度L=4cm 试样截面积A=30cm2
试验
次数

经过
时间
(s)
测压管水位(cm)
渗透
系数
(cm/s)
水温(°C)
水温20°C
渗透系数
（cm/s）
平均渗透系数(cm/s)
h1
h2
1
81.2
93
78
5.84×10-5
21.2
5.35×10-5
5.21×10-5
2
97.2
73
58
5.77×10-5
21.2
5.29×10-5
3
120.8
53
38
5.69×10-5
21.2
5.21×10-5
4
163.2
33
18
5.42×10-5
21.2
4.97×10-5

对于变水头试验，我们采用了测两管水流，每管测4次的方法，最终得到两组试验数据，见上表二。由表中数据可以看出，随着时间的推移，实测的渗透系数减小了（即由第一组的5.35×10-5 cm/s减小为5.21×10-5cm/s），这种现象与理论是一致的。

五、 注意事项
(1) 变水头试验中，每次测得的水头h1和h2的差值应大于10cm；
(2) 变水头试验过程中，若发现水流过快或出水口有混浊现象，应立即检查有无漏水或试样中是否出现集中渗流，若有，应重新制样试验；
(3) 渗透试验一定要用无气水作试验，否则，试验过程中水中的气泡会在试样内集中，使测得的渗透系数随渗透时间的延长不断减小，产生不允许的试验误差；
(4) 试验过程中，由于渗透力的作用，使土的干密度发生变化，从而使渗透系数发生变化，因此，渗透试验的时间不能太长，水头差不能太大；
(5) 规范规定采用水温20°C或10°C时的渗透系数作为标准渗透系数。

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