珊瑚沙土渗透系数的测定方法及分析

（1）试验仪器

根据测试土壤介质颗粒的粗细程度，实验室内测定渗透系数的方法分为两种：变水头和常水头试验。对于透水性较差的粉土、黏性土一般采用变水头试验；沙土和碎石土多用常水头试验。珊瑚沙土属于碎石土类，故采用常水头试验测定其渗透系数。常水头渗透试验可采用ST-70型标准渗透仪，仪器照片及原理图如图3.5所示。试验仪器包括：①带底金属圆筒，高40 cm、内径10 cm、横截面积为7 850 mm2，上端开口；②金属滤网，置于距筒底5～10 cm处，滤网上放置珊瑚沙土试样；③金属筒壁上开三个测压孔，孔中心距均为10 cm，与筒壁连接处装有筛布；④玻璃测压管，内径6 mm左右，用橡皮管与测压管连接，固定于一加装毫米刻度尺的直立木板上。试验还需配置供水瓶、量杯、温度计、木棒、橡皮管、管夹和支架等。

图3.5　常水头渗透试验装置

1—金属圆筒；2—金属网格；3—测压孔；4—测压管；5—溢水孔；6—滤水孔；7—调节管；8—滑动支架；9—5 000 mL供水瓶；10—供水管；11—止水夹；12—500 mL量筒；13—温度计；14—珊瑚沙土试样；15—砾石层

（2）测试方法

试验时，连接供水管10和调节管7，微开止水夹11，由供水管10供水，让试验用水经由调节管7注入仪器底部，试验用水最好取自淡水透镜体，至水与滤网2顶面齐平，关闭止水夹。称取3～4 kg已测含水率w的风干待测珊瑚沙土试样，分层装入仪器金属筒内，每层2～3 cm，并用木棒轻轻捣实，以调控试样孔隙率；每层试样填装好后，要缓缓开启止水夹11，让试验用水从仪器底部向上缓缓渗入试样中，让试样逐渐饱和，之后关闭止水夹11。这一过程中，水面不得高出沙面，且测压管中不得有气泡。照此做法，逐层填装试样并使之饱和，至试样高出最上一个测压孔3～4 cm为止。测量试样高度h，计算填充至金属筒内的风干珊瑚沙土试样总质量m。然后，在试样顶面填装约2 cm的砾石作缓冲层，开启止水夹11，缓慢放水至水面升至溢水孔，待有水溢出时，关闭止水夹11。静置数分钟，测压管中水位应与溢水孔齐平，否则，测压管接头处有气泡阻隔，应用吸水球排气。然后，提高调节管7，使管口高于溢水孔5，将供水管10与调节管7分开，置供水管10于金属筒内，开启止水夹，使水从金属筒顶部注入。变更调节管出口高度，使其分别位于试样上部1/3处、中部和下部1/3处，造成调节管出口与溢水孔间一定的水头差，不同流量的水便从调节管流出，待流动稳定后，量测出口流量Q和相邻两水管间水头差H1与H2，同时记录进、出水口出水温T。试验中，当变更调节管出口高度时，应调节止水夹11的开度，使供水量略多于渗流量Q，让多余的流量从溢水孔流出，从而保持金属圆筒中水位不变。

（3）结果计算

根据上述测试结果，可依次计算试样干质量md、干密度ρd、孔隙比e，进而求得水温t℃时的渗透系数kt：

式中　md——风干试样干质量，g；

　　　m——风干试样总质量，g；

　　　w——风干试样含水率，无量纲；

　　　ρd——试样干密度，g/cm3；

　　　A——试样断面积，cm2；

　　　h——试样高度，cm；(www.xing528.com)

　　　e——孔隙比，无量纲；

　　　ρw——4℃时纯水的密度，ρw＝1 g/cm3；

　　　n——孔隙率，无量纲；

　　　kt——水温t℃时的渗透系数，cm/s；

　　　Q——通过试样的流量，cm3/s；

　　　L——两相邻测压孔中心间的试样长度，L＝10 cm；

　　　H——水头差的平均值，H＝（H1＋H2）/2；

　　　Gs——珊瑚沙粒的相对密度，无量纲。

渗透系数与土壤介质的孔隙率有关。实验室测定渗透系数时，试样由人工填装，试样的孔隙率和珊瑚岛真实的孔隙率不同。为求得尽可能接近真实孔隙率的渗透系数，在渗透仪金属筒内填装珊瑚沙土时，应采用几种不同的压实程度，以便在不同孔隙率条件下进行试验。用测得的渗透系数的对数为横坐标，试样的孔隙比为纵坐标，绘制珊瑚沙土孔隙比与渗透系数的关系曲线。当求得珊瑚岛沉积层的孔隙率n后，用式（3.15）换算对应的孔隙比e，由珊瑚沙土孔隙比与渗透系数的关系曲线，就可求得需要的渗透系数kt。

实验室内测试渗透系数时的水温t与珊瑚岛的水温不一定相同，为便于应用，常常需要换算成20℃水温时的渗透系数k20，可用下式计算：

式中　k20——水温20℃时试样的渗透系数，cm/s；

　　　kt——水温t℃时试样的渗透系数，cm/s；

　　　ηt——水温t℃时水的动力黏滞系数，kPa·s；

　　　η20——水温20℃时水的动力黏滞系数，kPa·s。