渗透试验简介：土力学与地基基础中的关键章节

由达西定律可知，当i＝1时，v＝k，即土的渗透系数k就是水力梯度等于1时的渗透速度。k值的大小反映了土体渗透性的强弱，k愈大，土的渗透性也愈大。土颗粒愈粗，土中孔隙尺寸越大，k值也愈大。渗透系数k是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。

渗透系数只能通过试验测定。测定方法分为室内渗透试验和现场渗透试验两大类。一般来说，现场试验结果比室内试验结果更为准确可靠。因此，一般对于重要工程需要进行现场试验。室内测定土的渗透系数的仪器和方法很多，但就原理来讲，可分为常水头试验和变水头试验两种。

《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）中规定常水头试验适用于砂土及少量砾石的无黏性土，变水头试验适用于粉土和黏性土。试验用水应采用纯水或洁净的天然水。由于水中溶有空气，渗透试验过程中，空气可能会从水中游离出来，在土样中形成封闭气泡，堵塞土样孔隙，致使渗透系数降低。因此，渗透试验开始前应用抽气或煮沸法进行脱气。另外，若水温低于试样温度时，水进入试样中因温度升高而分解出气体，这样也会影响渗透系数的测定，试验时水温宜高于室温3～4 °C。

1.常水头试验

在整个试验过程中，水头保持不变，其试验装置如图2-5所示。假设试样（土样）高度即渗流长度为L，截面积为A，试验时的常水头差为Δh。上述三个参数在试验前可以直接测量和控制。试验中只要用量筒和秒表测得在某一时段t内经过试样的渗水量Q，即可求得该时段内通过土体的单位渗水量q。

图2-5　常水头试验装置示意图

得到渗透系数

2.变水头试验

常水头试验适用于渗透系数较大的材料，即k=1×10-2～1×10-3cm/s。对于粉土和黏土等细粒土，由于渗透性很小，流经试样的水量也就很少，难以准确量取，或者由于需要的时间很长，会因蒸发而影响试验的精度，如仍采用常水头试验测定的渗透系数，已不再适用，故常采用变水头试验。

变水头试验法就是试验过程中水头差一直在随时间而变化，其装置如图2-6所示。变水头试验适用于渗透系数较小的材料，即k=1×10-3～1×10-6cm/s。

试样的一端与细玻璃管相连，在试验过程中量测某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可根据达西定律，求得土的渗透系数。

设细玻璃管内截面积为a，试验开始以后任意时刻t变水头的水位差为h，经过时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内经过细管的流水量为

图2-6　变水头试验装置示意图

式中负号表示渗流量随h的减小而增加。

根据达西定律，在时段dt内流经试样的渗水量又可表示为

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同一时间内经过土样的渗水量应与细管渗水量相等，即

将上式两边积分

即可得到土的渗透系数

如采用常用对数表示，则上式可写成

式（2-10）、式（2-11）中的a、L、A为已知，试验时只要量测出几组与时刻t1、t2对应的水位h1、h2，分别求出渗透系数，然后取平均值，作为该土样的渗透系数。

《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307—2012）中给出了岩土的渗透系数经验值，如表2-1所示。

表2-1　岩土的渗透系数经验值

续表

试验室内测定渗透系数k的优点是设备简单，费用较省。但是，由于土的渗透性与土的结构有很大的关系，地层中水平方向和垂直方向的渗透性往往不一样；再加之取样时的扰动，不易取得具有代表性的原状土样，特别是砂土。因此，室内试验测出的k值常常不能够很好地反映现场中土的实际渗透性质。为了量测地基土层的实际渗透系数，可直接在现场进行k值的原位测定。

3.现场测定渗透系数

在现场进行渗透系数k值测定时，常用现场井孔抽水试验或井孔注水试验的方法。对于均质的粗粒土层，用现场抽水试验测得的k值往往要比室内试验更为可靠。下面介绍用抽水试验测定k值的方法。图2-7为一现场井孔抽水试验示意图，在现场打一口试验井，贯穿要测定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度连续进行抽水。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。测定试验井和观测孔中的稳定水位，可以画出测压管水位变化图形。测定水头差形成的水力坡度，使水流向井内。假定水流是水平流向时，则流向水井的渗流过水断面应是一系列的同心圆柱面。待出水量和井中的动水位稳定一段时间后，若测得抽水量为q，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，通过达西定律即可求出土层的平均值k值。

图2-7　抽水试验

现场测定法可获得较为可靠的渗透系数值，但试验所需费用较多。注水试验的原理与抽水试验类似，这里不再进一步讨论。