水工材料论文
摘 要： 室内变水头试验测定密实、高黏性细粒土渗透系数时常会出现10余天都不透水的情况，甚至最后数月亦不透水，为快速测得试样渗透系数提供试验成果，本文采用高水头试验设备解决这一难题。
关键词： 高黏性细粒土; 变水头渗透试验; 水力梯度; 粘滞阻力;
1、 引言
测定土体渗透系数方法通常有野外注水试验、野外抽水试验和室内渗透试验，其中室内渗透试验分为常水头和变水头渗透试验，常水头渗透试验适用于粗粒土，易测得土体渗透系数；变水头渗透试验适用于细粒土，目前土工试验行业使用的设备为2m水头高度的TST-55型试验装置。室内变水头试验测定密实、高黏性细粒土渗透系数时常会出现10余天都不透水的情况，甚至最后数月亦不透水，既占用设备资源，又影响土工试验报告进度乃至项目工程进度。
2 、渗透机制及原理
具有被水透过的性能称为土的渗透性，渗透问题是土力学三个重要问题之一，室内渗透试验如何测得准确的渗透系数对水利工程起到至关重要的作用，水在土体孔隙中的渗透是一种十分复杂的水流现象，原理符合达西渗透定律（式中：v—渗透速度；k—渗透系数；i—水力梯度；h—水头；l—渗径长度），可以看出渗透系数的定义为单位水力梯度的渗流速度，现将两种典型土的渗透速度与水力梯度的关系绘制如图1。
从图1(a）中可看出一般砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系，从图1(b）中可看出密实、高黏性细粒土呈非线性关系，为实用方便，常用图1(b）中的虚直线来描述密度、高黏性细粒土的渗透速度与水力梯度的关系，并用公式v=k(i-ib)(ib为起始水力梯度）表示。对于密实、高黏性细粒土，由于土体内吸着水具有较大的粘滞阻力，因此当水力梯度i超过起始水力梯度ib后，即克服吸着水的粘滞阻力后，土体才能发生渗透。一定范围内水力梯度i越大，克服吸着水的粘滞阻力所需的时间就越短，土体发生渗透的时间就越快，当i<ib时，土体不透水。
3 、试验方案及数据
室内变水头试验土饼厚度要求为2cm或4cm，本次研究采用2cm厚度土饼，若想进一步增加水力梯度，唯有增加水头来实现，但无限增加水头又会导致土体发生渗透变形，本次研究决定以3倍原水头（6m高水头）来实现增加水力梯度。
图1典型土的渗透速度与水力梯度的关系图
表1 平行测定渗透系数对比成果表
试验土样主要选自引江济淮工程、江巷灌区工程、安徽省淮河流域行蓄洪区建设工程和怀洪新河洼地治理工程，这些工程位于安徽省境内江淮分水岭和淮河流域。试样年代为第四系上更新统，特点具有干密度大、黏粒含量高特点。现将2m变水头试验设备和6m变水头试验设备平行测定试样渗透系数列于下表1，表中所述开始渗水所需天数用整天数表示，误差在8h以内。
4、 试验结果分析及结论
(1）所测20组试样渗透系数均属极微透水，且同一试样渗透系数较接近，说明增大水力梯度对测得试样的渗透系数量级没有影响，且符合规程规范要求，进一步说明水力梯度增大到300时，试样未发生渗透变形。
(2）试样BXY1-7和XLC3-1用2m变水头试验设备试验未测得渗透系数，当采用6m变水头试验设备时，测得的渗透系数为1.09×10-9～2.81×10-9cm/s，试验过程把高水头设备水头降到2m以下，亦出现了不透水的情况，说明此两组试样吸着水的粘滞阻力较大，起始水力梯度ib>100。
(3）此次试验研究采用2m变水头试验设备测得试样渗透系数小于1.00×10-8cm/s时，开始渗水时间最快需要116h，而采用6m变水头试验设备只需21h。
(4)2m变水头试验设备测得试样开始渗水所需时间一般为6m变水头试验设备的2～4倍，个别达10倍余，说明室内变水头渗透试验水头提高至6m，对于密实、高黏性细粒土是可行的，大大缩短了试验时间
参考文献
[1] 卢廷浩.土力学(第二版)[M].南京:河海大学出版社,2004.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局.土工试验方法标准:GB/T 50123—2019[S].北京:中国计划出版社,2019.
[3] 中华人民共和国水利部.土工试验规程:SL237—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.