土工试验：典型的砂土渗透性试验结果

一、工作任务

通过砂类土地基渗透试验知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）掌握水力梯度的概念及达西定律的实验原理。

（2）掌握渗透系数的影响因素与测定办法。

（3）了解渗透破坏的基本形式。

二、相关配套知识

（一）水力梯度

水流的状态有层流和紊流，前者的特点是流速较小，流线平行；后者的特点是流速较大，流线有相互交错现象，具有涡流性质。工程中常见的土，如黏性土、砂土等，其孔隙较小，水通过孔隙的渗流速度不大，可将土中发生的渗流现象视为层流。

如图7-1所示，在土体中，沿水流的渗流方向取一个柱体ab，其横截面面积为A，长度（渗流路径长度）为L，z1、z2分别为a、b两点的位置水头（高程水头），h1、h2分别为a、b两点的压力水头（测压管水柱高）。a、b两点的总水头分别为：H1=h1+z1，H2=h2+z2，这两点的总水头差Δh= H1 -H2，总水头差Δh与渗流路径长度L之比叫作水力梯度（水力坡度），用符号i表示，即

图7-1 土中的渗流

（二）达西定律

1856 年，法国学者达西（H.Darcy）根据砂土的试验结果发现：在层流状态下，水在土中的渗透速度与水力梯度成正比例关系，这就是达西定律，也叫渗透定律。渗透试验装置如图7-2所示，筒底放碎石，其上装一滤板，试验筒中部装满颗粒均匀的砂土，截面面积为A。从试验筒顶部注水，多余的水从溢水管溢出，使水位保持稳定，砂土试样两端侧面各装一支测压管，其中的水面将恒定不变。测得前后两支测压管水位差为Δh，即为经过砂样渗流长度L后的水头损失。试验筒右端底部留一个排水口排水，下放一个盛水容器接水。试验开始后经过时间t（秒），水通过砂土试样的渗流量为Q（即盛水容器t秒钟所接水量），则每秒钟的渗流量为q。

图7-2 达西渗透试验

达西由试验发现下列规律

式中 q——单位时间的渗透水量；

v——渗透速度；

i——水力梯度；

A——试样横截面面积；

k——渗透系数，单位水力梯度（即i=1）时的渗流速度。

对于如砾石、卵石等的粗颗粒土中的渗流，只有在水力梯度很小、流速不大时才属于层流，服从达西定律；否则属于紊流，渗透流速与水力梯度之间不再是直线关系。

土体的全截面A包括了土颗粒截面和孔隙截面（A′=nA），但土颗粒是不透水的，水在土中的渗透只能通过孔隙截面，所以达西定律中的渗透速度只是平均流速。水在土中的实际平均流速为

式中 n——土的孔隙率。

（三）渗透系数

1.渗透系数的影响因素

渗透系数k是一个表示土体渗透性强弱的指标，它等于单位水力梯度时的渗流速度。渗透系数k可用作评价土的渗透性的指标，k值大的土，渗透性强，容易透水；反之渗透性弱，不容易透水。不同种类的土，其渗透系数差别很大，一些常见土的渗透系数见7-4。

表7-4 土的渗透系数k

土的渗透系数与很多种因素有关，其影响因素主要有：

1）孔隙比

同一种土，孔隙比越大，则其密实度低，渗流横截面面积大，渗透系数也越大；反之，则其密实度高，渗流横截面面积小，渗透系数也越小。

2）粒 径(www.xing528.com)

一般来讲，土中颗粒越小，孔隙通道也越小，细粒土的渗透系数比粗粒土的小。

3）级 配

粒径级配良好的土，细颗粒可以填充粗颗粒之间的孔隙，孔隙通道较小，渗透系数也较小；粒径级配较差的土，即粒径级配均匀的土，孔隙通道较大，渗透系数也较大。

4）矿物成分

在黏性土中，黏粒含量和亲水性的黏粒矿物含量越多，其比表面积就越大，与水的表面作用就越强，结合水膜的厚度就越大，而土的孔隙通道越来越小，渗透性大大降低。在含水量相同的情况下，渗透系数从小到大的排序是：蒙脱石—伊利石—高岭石。

5）结 构

对于黏性土，絮凝结构的粒团间的大孔隙较多，而分散结构的孔隙大小则较为均匀，当孔隙比相同时，具有絮凝结构的黏性土，其渗透系数要比分散结构者大。

6）构 造

土颗粒在沉积过程中，在构造上造成的成层性以及扁平黏粒的定向排列，使黏性土在水平方向的渗透系数往往大于垂直方向。

7）饱和度

若土未完全饱和而有封闭气体存在，不仅减小了土的过水断面，而且填塞了某些孔隙通道，从而降低了土的渗透性。

2.常水头法渗透系数的测定

渗透系数的室内测定方法可以分成常水头法（图 7-3）和变水头法（图 7-4），现场进行土的渗透系数的测定常采用井孔抽水试验或井孔注水试验。

图7-3 常水头渗透试验示意

图7-4 变水头渗透试验示意

这种方法适用于砂土及含少量砾石的无黏聚性土。在圆桶容器中装高度为L，横截面面积为A的饱和试样，试验时，不断向试样桶内加水，使其水位保持不变，水在水头差 hΔ的作用下流过试样，从桶底排出。试验过程中，水头差Δh保持不变，因此称为常水头渗透试验。试验过程中测得在一定时间t内流经试样的水量为Q，根据达西渗透定律有

（四）渗透破坏

土由于渗流作用而出现破坏或变形现象，叫渗透破坏（或渗透变形）。渗透破坏的两种基本类型是流砂和管涌。

1.流 砂

在向上的渗透水流作用下，在渗流溢出处一定范围内，土颗粒或其集合体浮扬而向上移动或涌出的现象叫流砂（翻砂、流土）。从颗粒开始浮扬到流砂发生所经历的时间较短，发生时一定范围内的土体突然会被抬起或冲毁，往往来不及抢救，对建筑物和地基的危害极大。

对土体的稳定性来说，渗透水流逸出的地方最危险。为判断流砂是否发生，必须把渗流逸出处的水力梯度即逸出水力梯度i求出，然后将其与临界水力梯度icr比较：

（1）当 i＜icr 时，土体处于稳定状态。

（2）当 i＞icr 时，土体处于流砂状态。

（3）当 i=icr 时，土体处于临界状态，即开始失稳。

任何类型的土，包括黏性土或砂性土，只要满足水力梯度大于临界水力梯度这一水力条件，就要发生流砂现象。若在非黏性土中发生流砂，颗粒群同时被悬浮，形成泉眼群、砂沸等现象，土体最终被渗透水流托起；若在黏性土中，则流砂表现为土体隆起、浮动、膨胀和断裂等现象。

如果流砂现象在建筑物周围的地基中发生，建筑物就有可能陷入土中或产生大量沉降；如果在开挖基坑时发生流砂现象，则坑底的土将随开挖而不停地向上涌出，边坡坍塌，甚至邻近建筑物发生倾斜，这些情况都可能造成重大事故，所以在设计和施工中应注意避免流砂现象或采取防止措施。

防止流砂的措施主要有：① 减小水头差，如采用井点降水措施来人工降低地下水位；②增加渗流路径长度，如打钢板桩、制作水泥搅拌桩、设地下连续墙和注浆挡水帷幕。

2.管 涌

在渗透水流作用下，土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以至被水流带走，随着孔隙不断扩大，渗透速度的不断增加，较粗的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象叫管涌。

管涌一般发生在无黏性土中，发生的部位一般在渗流出口处，但也可能发生在土体内部，管涌现象一般随时间的增加而不断发展，不像流砂那样具有突发性，是一种渐进性质的破坏。

无黏性土产生管涌的两个必要条件是：① 几何条件：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，一般不均匀系数Cu＞10的土才会发生管涌；② 水力条件：渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动，即渗透水流的水力梯度超过管涌的临界水力梯度。但至今尚无公认的管涌临界水力梯度计算公式。对于重大工程，应尽量由试验确定。

防治管涌现象，一般可从两个方面采取措施：① 改变几何条件，如在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。② 改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。