室内变水头渗透试验误差产生的原因探讨(2)

　　

室内变水头渗透试验误差产生的原因探讨

谭萃华

（广东省矿产研究所）

摘要：变水头渗透试验是在钻孔内进行的一种测定土体渗透系数的一种广为应用的野外试验方法。室内进行会出现误差，文章首先分析室内变水头渗透机制及原理，探讨了变水头渗透试验中误差产生的原因，从而减少误差的产生，保障试验结果的准确性和科学性。

关键词：土工试验；室内渗透试验；变水头渗透施压；误差原因

Discussion on causes of errors in indoor variable head permeability test

Tan Cuihua

（Guangdong Institute of mineral resources）

Abstract: variable head permeability test is a widely used field test method for measuring soil permeability coefficient in borehole. There will be errors when it is carried out indoors, Firstly, this paper analyzes the mechanism and principle of indoor variable head permeability test, and discusses the causes of errors in variable head permeability test, so as to reduce the errors and ensure the accuracy and scientificity of test results.

Key words: geotechnical test; indoor seepage test; variable head seepage pressure; error reason

0引言

土体渗透有关系数的测定，一般都会采用室内渗透试验的方法测定，试验方法也可分为常水头与变水头渗透试验。常水头渗透试验适用对象为粗粒土，变水头渗透试验适用对象为细粒土。目前在土工试验中，通常会使用设备为2m的水头高度的TST-55型试验装置进行试验，其中在室内变水头渗透试验中，在对一些密实性较强、高黏性细粒土的渗透系数测定时，常常会出现10余天不透水的现象，甚至是数月不透水，这不仅会占用设备资源，还会影响土工试验的进度，进而对工程的进度产生不利影响。而导致这一问题的产生，主要原因是室内变水头渗透试验在设备、方法、环境、人为等方面存有误差，使得室内试验结果与外业现场注水试验结果有较大误差，难以保证土的渗透性测定结果的准确性，这势必还会带来安全隐患。因此，需要充分认识室内变水头渗透试验误差的因素，从而采取有效的措施减少室内试验与现场试验的差距。

1、室内变水头渗透机制及原理

土的渗透性指的是能被水透过的性能，其是土力学三个重要的问题之一。目前在测定土的渗透性时，通常会采取室内渗透试验进行测定，室内渗透试验由可分为常水头渗透试验和变水头渗透试验，而保证室内渗透试验测定结果的准确性，对工程建设尤其是水利工程有着至关重要的作用。水在土体孔隙中渗透，是一个较复杂的水流过程，其原理为达西渗透定律v=ki=k，其中，v表示渗透速度，k表示渗透系数，i表示水力梯度，h表示水头，l表示渗径长度。以砂土和密实、高黏性细砂土这两种典型土为基准，一般情况下，砂土渗透速度与水力梯度呈线性关系，但密实、高黏性细粒土呈非线性关系，主要因为土体中对水也有非常大的粘滞阻力，因此，只有水力梯度才能够有效克服吸着水的粘滞阻力后，方能保证土体发生渗透。

为了更好地测定密实、高粘性细沙土的渗透系数，需要采用变水头渗透试验进行分析。如果变水头在某一温度下的水渗透系数k_T与变水头管的断面面积a与试验土样的面积A、高度L、水头从H₁至H₂时用的起始时间t₁和t₂有关，那么，具体的实验公式为：k_T=2.3=。

2、试验标准及试验步骤

2.1 试验标准

依据《土工试验方法标准》的GB/T50123-1999相关规定：在进行室内变水头的渗透试验时，采用的设备仪器必须应该符合以下几个规定：由环刀、透水石、套环、上盖及下盖组成渗透容器。在这其中，环刀内径必须为61.8mm，高为40mm，同时，透水石的渗透系数必须也要大于10^-3cm/s；要由渗透容器、供水瓶、变水头管、进水管等组成变水头装置，最重要的是应保证变水头管的内径均匀一致，并且，不宜超过1cm，同时，长度应控制在2cm左右即可。

2.2 试验步骤

在进行室内变水头渗透试验前，需要按照《土工试验方法标准》的要求，将原状土样切入至规定的环刀中，此次研究的为2cm厚度的土样，之后将装有试样的环刀装入渗透容器中并有螺母拧紧，保证密封不漏水和不漏气。假若选取的土样为不易透水的黏性土，还需要在试验前将土样进行抽气饱和，以消除气泡和流体性质的影响。

3、误差产生的原因分析

通常情况下，现场试验要比室内实验所得到的结果要准确很多。然后，导致室内变水头渗透试验结果与现场试验结果误差较大主要因素也大径不同。这其中包括设备误差、环境误差、人为误差和方法误差等等。

3.1 设备误差

设备误差是其中最主要的一个因素。设备误差指的是在进行试验时所使用的计量器显示值不准从而引起的误差。按照《土工试验方法标准》的规定，在室内渗透使用中所使用的透水石，其渗透系数应当不小于10^-3cm/s，但由于在实际操作中，随着透水石的长期使用，细小的黏土颗粒会逐渐堵塞透水石的孔隙，即使是每天进行有效的透水石清洗，也无法有效避免堵塞的问题，除非是新购买透水石。为了更好地验证这一误差因素的存在，对使用半年以上的128个透水石进行渗透试验分析，具体试验结果可见表1和表2。

表1 透水石渗透试验结果

表2 透水石渗透系数统计表

由表1和表2可得知，在透水石使用一段时间后，会出现孔隙堵塞的情况，从而导致大约有35％的透水石不符合《土工试验方法标准》在规定的渗透系数10^-3cm/s，也正因为如此，从而导致土样的渗透系数最终的测定结果有误差。而对于设备误差引起的渗透系数误差，建议可将被细小土颗粒堵塞的透水石放进锅里煮沸3h以上，可有效解决透水石被细小颗粒土样堵塞的问题。

除了透水石堵塞会引起误差外，试验所用的变水头管出水口较细的问题也不可忽视，通常变水头管出水口较细的目的是为了更好的与渗透容器连接，但因为变细后会使得出水口处容易滋生絮状的物质。其中，水中难免有片状和固体杂质的存在。所以，会对水路造成堵塞，这种情况下也会对最终的渗透系数测定产生误差的可能。因此，针对这一因素，我们建议：必须做到变水头的出水口内径尺寸上下保持一致，有效避免在出水口处聚集絮状杂质阻碍水的流通，定期清洗渗透试验水箱，避免在水箱中有杂质聚积累，从而导致出水口堵塞。

3.2 环境误差

环境误差也是其中一个主要因素。环境误差主要指的是由环境因素与标准要求不一致而产生的误差原因。其中有温度、粉尘等因素引起的误差问题。按照《土工试验方法标准》规定，在室内渗透试验时，应保证试验水温要高于试验室内温度3至4℃。以试验的水温为20℃为基准，随着水温的慢慢变化，那么，渗透系数也会随之变化。如果温度高则土样的动力黏滞系数就越小，这样渗透系数会随着温度的提升也慢慢逐渐变大。所以，在实际的试验操作过程中，如果是在冬季或夏季进行，应开起室内空调将温度控制在3至4℃以上以此保持恒温，下班后应该对黏性土样应安装后的当天不透水，隔夜之后再进行试验。也正是因为夏季温度较高，难以保持室内的恒温，所以室内温度在一定程度上才会对试验结果产生误差。针对这一误差因素，应在开展渗透试验时进行水温度的测量，按照试验标准的规定保证温度高于室内温度3~4℃，并尽量保持室内恒温，只有这样水的粘滞性对渗透系数影响较大，并随着水温的升高而降低。水温越低，那么水的粘滞性就会越大，则水温高渗透系数就会越小。

3.3 人为误差和方法误差

认为误差通常是由试验操作人员技术不熟练而引起，方法误差则是由采用的计量方法不完善而引起。在《土工试验方法标准》中有对渗透试验土样的切取进行明确的规定，但对天然土样的切取并没有作明确的规定，这是因为天然土样中含有如小石子、砂礓、铁锰结核、瓦片、碎石等各种不确定的杂质，受到这些不确定性因素的影响，不同人在切取是采用的方式也是不同的，且在切土时需要将突出环刀外的杂质剔除，会对原状土产生扰动，因此无法避免的会对试验结果产生影响，进而产生误差。另外，在土样离环之后，对渗透系数测定时，就会有水从侧壁慢慢渗出。当然，并不是全部通过试验土体流出，这也是会最终出现渗透系数测定结果出现误差。

4、结语

综上所述，室内变水头渗透试验是土工试验中常用的一种测定方法，但因为在试验过程中会受到各种因素的影响，如设备误差、环境误差、人为误差和方法误差等，从而导致室内渗透试验结果与现场试验结果存在较大差异。本文重点对室内变水头渗透试验误差原因进行了分析，并在认识这些误差原因的基础上提出相应的解决对策，希望能为相关人员提供可靠的参考。

参考文献：

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[2]王斌文,马丽娜,张戎令,王起才,张唐瑜,李佳敏.高速铁路泥岩地基膨胀变形试验及渗透试验研究[J].铁道标准设计,2021,65(01):34-39.

[3]闫家涛,王琪,黄祥,王丽艳.钢渣土工应用渗透特性试验研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2020,34(02):103-109.

作者简介

谭萃华： 女，198年出生于广东韶关，毕业于广东工业大学土木与交通工程学院，建筑结构设计工程师，现就职于广东省矿产研究所，主要研究土工试验。

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