室內變水頭滲透試驗黏性土不易透水原因分析

王 卉

土在水頭差的作用下會引起滲透，一是滲漏，二是滲流。飽和土地基在建筑物荷載作用下產生壓縮（固結）變形需經過一定時間才能穩定，而經歷時間的長短與滲透性直接有關。在分析飽和土地基沉降和時間的關系時，需要知道土的滲透性；開挖基坑時遇到地下水則需要根據土的滲透性估算涌水量，以配置排水設備，所有這些都離不開土的滲透性。對于砂性土和松散狀態的各種土樣，室內滲透試驗結果與現場實際測得的結果相差不大，試驗數據的可靠性和參考性具有實際意義。而如果遇到堅硬的老黏土，在室內做變水頭滲透試驗，按照《土工試驗規程》（SL237-1999）和《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）中的操作方法操作，老黏土室內滲透試驗不易滲水。鑒于此，有必要對黏性土室內試驗不易透水問題進行原因分析。

一、滲透試驗的目的

滲透試驗是為測定土的滲透系數。滲透系數是工程設計與施工中選擇開挖工程排水、降水方法，計算斜坡穩定、壩基滲流確定路堤、河堤斷面浸潤線位置、建筑物基礎揚壓力等十分重要的指標。土的滲透系數的大小表示土中水流過的難易程度。砂性土由于土的孔隙比大，較松散，水易通過流出，所以滲透系數就大；而粘性土由于土樣密實，孔隙比小，所以滲透系數就偏小。滲透系數是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的指標。滲透系數可以通過室內和現場試驗直接測定。

二、目前室內滲透試驗的方法

按《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）中的規定，室內滲透試驗的方法按其原理可分為兩大類，即常水頭法和變水頭法。常水頭法適用于透水性較大的無粘性土（滲透系數大于10-4cm/s）；變水頭法適用于透水性較小的粉土、粘性土（滲透系數小于10-4～10-7cm/s）。而變水頭試驗又分為水平試驗和垂直試驗兩種，根據需要用環刀在垂直或平行于土樣的層面切取原狀試樣，并對土樣進行充分飽和。在一定水頭差的作用下，靜置一段時間，待出水管口有水溢出時再開始進行試驗測定。室內滲透試驗對于黏性土，按《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）和《土工試驗規程》（SL237-1999）中的規定在室內做變水頭滲透試驗，土樣安裝后，理論上說土樣經飽和后，在一定壓力水頭差的作用下應該會透水，因為土樣中有孔隙。而實際操作中，往往土樣數天后都不易透水，即便是透水，滲透系數也很小，甚至小于10-8cm/s。滲透試驗的結果如果不準確，對建筑物的安全會造成一定隱患。

三、黏性土不易透水原因分析

黏性土室內滲透試驗不易透水，有試驗土樣自身的原因，也有客觀原因。如果天然土樣本身孔隙很小很密實，試驗土樣安裝后，多日都不透水，也屬正常現象。但是對于某些客觀原因造成的不易透水問題，就要認真加以分析，排除一切客觀原因，提供科學的試驗數據。

1.試樣厚度、透水石及人為因素的影響

上述標準中規定，滲透試驗所使用的環刀內徑要求為61.8mm，高度為40mm；從標準中規定的環刀高度來看，滲透試驗40mm的環刀高度，比一般做密度、直剪和壓縮試驗等的環刀高度要多出20mm，其他試驗所用環刀的高度均為20mm，環刀內徑與其他的內徑相同。由于滲透試驗所用環刀的高度為40mm，試驗土樣的厚度增加了一倍，試驗水頭通過土體的滲徑長度也增加了一倍，終將影響到滲透系數。因此滲透試驗環刀高度為40mm是影響試驗結果的一個重要因素。

標準中規定透水石的滲透系數應大于10-3cm/s，而在實際的操作中，由于透水石每天都在使用，細小土顆粒難免會堵塞透水石，即便是每天試驗結束后都用專用工具清洗，也無法保證透水石的滲透系數始終大于10-3cm/s。因此透水石的透水性是影響滲透試驗結果的重要因素，可以通過清洗、更換透水石等方法加以避免。

在開土過程中，滲透試驗所選土樣的切削方法，標準中是有明確規定的，如果開土者不按標準要求切削土樣，勢必會造成土樣孔隙被堵塞和擾動，最終會影響到滲透系數。

2.土粒的大小、顆粒的級配、土的孔隙比及飽和度影響

土樣顆粒的粒徑愈粗，土粒的平均尺寸就愈大，土的滲透性就好；顆粒級配越是良好，土粒直徑不均勻，密實度增加，滲透系數就越小。土樣松散土的孔隙比大，土樣的透水性就好；反之，土樣密實土的孔隙比小，土顆粒的粒徑小，粘粒含量越大，土樣的透水性就越不好。土的孔隙比大小決定著滲透系數的大小，土樣的密實度增加，孔隙比就減小。土的飽和程度決定著土的滲透性，土樣飽和度越大，土樣越飽和，土樣就易透水；反之，土樣不飽和，土樣就不易透水。土的滲透性隨著飽和度的增加而增加。在實際操作中，對土樣按標準規定的要求進行飽和后，要測土樣飽和后的含水率、密度及飽和度，以確定土樣完全飽和。

3.土的組成、水溫、試驗用水及水的粘滯性的影響

對于含粘土礦物的土體，土粒四周水膜厚度對滲透性的影響很大。水的粘滯性對滲透系數的影響也很大，水的粘滯性隨著水溫的升高而降低，水溫越低，水的粘滯性愈大，則滲透系數就越小。鑒于溫度對土的滲透系數影響很大，在做滲透試驗時要測量水的溫度，按標準中的規定，溫度要高于室溫3℃～4℃。如果試驗用水不經脫氣或脫氣不徹底，在試驗過程中會形成很厚的水膜，堵塞土中的孔隙，降低土樣的滲透性，從而影響土樣的滲透系數。

綜上所述，在找出了影響黏性土不易透水的諸多原因之后，現對試驗土樣的厚度對試驗結果的影響做進一步的分析。同一土樣分別用不同環刀高度切取試驗土樣，按規程中的要求分別切取40mm厚度和20mm厚度的試驗土樣20組，分別安裝在滲透儀中，并對40組土樣進行比對分析。由于篇幅有限，只列舉10個土樣的結果，如表1。

表1 黏性土不同土樣厚度室內變水頭滲透系數統計表

表1中滲透系數采用土樣的滲徑長度L分別為40mm和20mm計算求得。從表中可以看出，同一土樣，試驗土樣的厚度不同，所得試驗結果也有所不同。試驗土樣厚度為20mm的平均滲透試驗結果比40mm的數據要大，20mm厚的土樣3天以上不透水個數比40mm要少10%左右。

四、結語

影響土的滲透性的因素很多，找出影響土的滲透系數的因素十分必要。對于室內滲透試驗，試驗所使用的環刀高度為40mm，筆者認者認為是影響試驗透水性的一個主因素，是影響黏性土不易透水的最主要的原因，建議盡快修訂《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）中對滲透試驗所用環刀的高度要求。而在使用室內滲透試驗結果時，對有爭議的試驗數據，要做進一步的分析進行篩選。黏粒含量小于15%的粘性土滲透系數小于10-6cm/s，黏粒含量大于30%的粘性土滲透系數大于10-5cm/s，這兩種情況都是有問題的，偏離了試驗真值，需要有針對性地對試驗數據進行分析，根據上述影響滲透試驗結果的各種因素，逐一對應分析，找出造成滲透系數出現異常的原因，以提供更為科學和準確的試驗數據■