土的渗透试验和渗透系数

土的渗透试验和渗透系数土的渗透试验和渗透系数2010-04-1511:04由达西定律可知土的渗透系数k反映了土的渗透性能是渗流计算用到的必须指标它的大小可通过试验或经验决定试验可在实验室或现场进行而室内测定渗透系数有常水头法和变水头法 1.室内常水头渗透试验常水头渗透试验装置的示意图如图2-4所示与达西渗透试验装置相似。

在圆柱形试验筒内装置土样土的截面积为A即试验筒截面积在整个试验过程中土样上的水头保持不变。

在土图2-4常水头试验装置图2-5变水头试验装置样中选择两点1、2两点的距离为L.分别在两点设置测压管。

试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内流过土样的流量为Q并同时读得两测压管的水头差为△h。

则单位时间内渗流量由达西定律从而可求得土样渗透系数2-4 常水头渗透试验适用于测量砂土渗透系数对于粘性土由于渗透系数很小应采用变水头法测量其渗透系数。

2.变水头渗透试验变水头渗透试验装置如图2-5所示。

土样的截面积为A高度为L。

试验筒上设置储水管储水管截面积为a试验开始时储水管水头为h1经过时间t后水头降为h2令在时间dt内水头降低了dh则在dt时间内通过土样的流水量为由达西定律在dt时段内流经试样的渗水量又可表示为由以上两式可得
对上式两边取积分并整理后可得可得土渗透系数为2-5 式2-5中的a、L、A为己知试验时只要量测与时刻t1、t2对应的水位h1、h2就可求出渗透系数。

3.现场抽水试验对于粗颗粒土或成层土室内试验时不易取得原状土样或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况这时从现场试验得到的渗透系数将比室内试验准确。

图2-6为一现场井孔抽水试验示意图。

在试验现场沉入1根抽水井管穿过要测定k值的砂土层并在距井中心不同距离处设置一个或两个观测孔然后自井中以不变的速率连续进行抽水抽水造成井周围的地下水位逐渐下降形成一个以井孔为轴心的降落漏斗状的地下水面。

测定水头差形成的水力梯度使水流向井内。

假定水流撬 搅飨蚴痹蛄飨蛩 纳 鞴 厦嬗κ且幌盗械耐 脑仓 娲 鏊 亢途 械亩 晃榷ㄒ欢问奔浜笕舨獾玫某樗 课猀观测孔距井轴线的距离分别为r1、r2:孔内的水位高度为h1、h2。

现围绕井心取一过水断面该断面距井中心距离为r水面高度为h则过水断面积A为图2-6现场抽水试验假定土中任一半径处的水头梯度为常数即则根据达西定律单位时间自井内抽出的水量即单位渗水量为等式两边同时取积分积分并整理后得2-6 现场抽水试验所需费用较高并非所有工程用现场试验来测定渗透系数就是合理的故应根据工程规模、重要性和勘察要求来确定是否需要采用。

4.成层土的渗透系数图2-7成层土的渗流情况天然沉积土往往由渗透性不同的土层所组成宏观上具有非均质性。

对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况当各土层的渗透系数和厚度为已知时即可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数作为进行渗流计算的依据先以两层土为例推论出多层土的一般表达。

图2-7表示土层由两层组成各层土的渗透系数为k1、k2厚度为h1、h2。

我们首先来考虑与层面平行的渗流情况考虑水平向渗流时水流方向与土层平行图2-7a所示因为各土层的水头梯度相同总流量等于各土层流量之和总的截面积等于各土层截面之和取单位宽度土层为研究对象则有由此得土层水平向平均渗透系数khw为所以2-7 可见与土层平行向渗流时平均渗透系数大小受渗透系数最大的土层控制。

考虑竖直向渗流时水流方向与土层垂直如图2-7b所示。

此时各土层的流量相等并等于总的流量总的截面积等于各土层的截面积总的水头损失等于各土层的水头损失之和。

同理取单位宽度土层为研究对象有由此得与土层竖直向平均渗透系数kv为2-8 可见与土层竖直向渗流时平均渗透
系数大小受渗透系数最小的土层控制。

5.影响土渗透性的因素影响土渗透性的因素主要有: 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其形状因而影响土的渗透性。

土颗粒越粗、越浑圆、越均匀时渗透性就大。

砂土中当有较多粉土及粘土颗粒时其渗透系数就大大降低。

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将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土的结构构造。

细粒土在天然状态下具有复杂结构结构一旦扰动原有的过水通道的形状、大小及其分布就会全都改变因而k值也就不同。

扰动土样与击实土样的k值通常均比同一密度原状土样的k值为小。

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在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。

3水的温度。

水在土中的渗流速度与水的重度及粘滞度有关而这两个数值又与温度有关。

一般水的重度随温度变化很小可略去不计但水的动力粘滞系数η随温度升高而减小η与温度基本上成线性关系。

故室内渗透试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。

但是试验室的温度变化较大应考虑它对渗透系数的影响。

因此在T℃测得的ηT值应加温度修正目前国标《土工试验方法标准》GB/T50123-1999、《公路土工试验规程》JTJ051-1993均采用20℃为标准温度。

常以水温为20℃时的渗透系数k20。

作为标准值在其他温度下测定的渗透系数kT可按下式进行修正2-9 式中ηTη20--分别为T℃时及20℃时水的动力粘滞系数NS/m2。

土的种类渗透系数/cm/s碎石、卵石1×10-1砂土1×10-11×103粉土1×10-31×10-4粉质粘土1×10-51×10-6粘土1×10-61×10-74土中气体。

当土孔隙中存在密闭气泡时表2-1各类土的渗透系数大致范围会阻塞水的渗流从而降低了土的渗透性。

这种密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。

各类土的渗透系数大致范围如表2-1上所示。