一、实验目的
- 掌握土的渗透系数测定的基本原理和操作方法
- 学习常水头渗透试验和变水头渗透试验的操作技能
- 测定土的渗透系数k值
- 了解影响土的渗透性的因素
二、实验原理
土的渗透性是指水流通过土中孔隙的难易程度，通常用渗透系数k来表示。渗透系数是评价地基、边坡和堤坝等工程渗流问题的重要参数。
2.1 达西定律
v = k·i
式中：
- v — 渗透速度(m/s)
- k — 渗透系数(m/s)
- i — 水力梯度，i = h/L（h为水头差，L为渗流路径长度）
渗透系数k的表达式：
k = Q·L / (A·h·t)
式中：
- Q — 时间t内的渗透水量(m³)
- A — 土样的截面积(m²)
- h — 水头差(m)
- L — 渗流路径长度(m)
- t — 时间(s)
2.2 试验方法
根据土的渗透性不同，渗透试验分为两种方法：
- 常水头渗透试验：适用于渗透性较大的无粘性土（如砂土、砾石等）
- 变水头渗透试验：适用于渗透性较小的粘性土
图1：常水头渗透试验和变水头渗透试验原理图
三、实验设备
3.1 常水头渗透试验设备
- 常水头渗透仪：包括渗透容器、进水管、出水管、测压管等
- 供水设备：包括高位水箱、溢水管、控制阀等
- 量杯：测量渗透水量
- 秒表：记录时间
- 温度计：测量水温
- 其他：天平、筛子、搅棒、漏斗等
3.2 变水头渗透试验设备
- 变水头渗透仪：包括渗透容器、变水头管（细玻璃管）、测压管等
- 供水设备：包括水箱、控制阀等
- 秒表：记录时间
- 温度计：测量水温
- 其他：天平、筛子、搅棒、漏斗等
图2：渗透仪设备示意图
四、实验步骤
4.1 常水头渗透试验（适用于砂土）
- 试样制备：
- 取代表性砂样，过2mm筛，洗净，烘干或凉干至适当含水率
- 测量渗透容器的内径和高度，计算截面积A
- 将渗透容器固定在试验架上，在容器底部放置一块金属孔板和一张滤纸
- 分层装入砂样，每层厚度约2-3cm，用捣棒轻轻捣实
- 装完砂样后，在砂样顶部放置一张滤纸和金属孔板
- 记录砂样的高度L和质量m
- 仪器安装：
- 安装进水管、出水管和测压管
- 检查各连接处是否漏水
- 试验操作：
- 打开进水阀，使水缓慢流入渗透容器，直至完全饱和砂样
- 调整水头，使水头差h保持恒定
- 待水流稳定后，记录初始测压管读数
- 用量杯收集一定时间t内的渗透水量Q，同时记录水温
- 改变水头差，重复步骤3-4，进行3-5次平行试验
4.2 变水头渗透试验（适用于粘性土）
- 试样制备：
- 取代表性粘性土样，按照压缩试验的土样制备方法准备试样
- 将制备好的土样放入渗透容器中
- 记录土样的截面积A和高度L
- 仪器安装：
- 安装渗透容器、变水头管和测压管
- 检查各连接处是否漏水
- 试验操作：
- 打开进水阀，使水缓慢流入渗透容器，直至完全饱和土样
- 将变水头管充水至一定高度h₁
- 记录初始水头h₁和时间t₁
- 经过一段时间t后，记录最终水头h₂和时间t₂
- 重复步骤3-4，进行3-5次平行试验
五、数据记录与处理
5.1 常水头渗透试验数据记录
| 常水头渗透试验 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 土样编号 | 渗透容器截面积A(cm²) | 土样高度L(cm) | 土样干密度ρ_d(g/cm³) | 水温T(℃) |
| -- | -- | -- | -- | -- |
| 试验次数 | 水头差h(cm) | 时间t(s) | 渗透水量Q(cm³) | 渗透系数k_cm/s | 平均k_cm/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -- | -- | -- | -- | -- |
| 2 | -- | -- | -- | -- | |
| 3 | -- | -- | -- | -- |
5.2 变水头渗透试验数据记录
| 变水头渗透试验 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 土样编号 | 渗透容器截面积A(cm²) | 土样高度L(cm) | 变水头管内径d(cm) | 水温T(℃) |
| -- | -- | -- | -- | -- |
| 试验次数 | 初始水头h₁(cm) | 初始时间t₁(s) | 最终水头h₂(cm) | 最终时间t₂(s) | 时间差Δt(s) | 渗透系数k_cm/s | 平均k_cm/s |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 2 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | |
| 3 | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
5.3 数据处理公式
1. 常水头渗透试验渗透系数计算公式：
k = Q·L / (A·h·t)
式中：
- Q — 渗透水量(cm³)
- L — 土样高度(cm)
- A — 土样截面积(cm²)
- h — 水头差(cm)
- t — 时间(s)
2. 变水头渗透试验渗透系数计算公式：
k = (a·L / (A·Δt))·ln(h₁/h₂) = (2.3·a·L / (A·Δt))·log₁₀(h₁/h₂)
式中：
- a — 变水头管截面积(cm²)，a = π·d²/4，d为变水头管内径(cm)
- L — 土样高度(cm)
- A — 土样截面积(cm²)
- h₁ — 初始水头(cm)
- h₂ — 最终水头(cm)
- Δt — 时间差(s)
3. 温度修正：
渗透系数随温度变化而变化，通常应将试验温度下的渗透系数修正为标准温度（20℃）下的渗透系数：
k₂₀ = k_T·η_T / η₂₀
式中：
- k₂₀ — 20℃时的渗透系数(cm/s)
- k_T — 试验温度T时的渗透系数(cm/s)
- η_T — 试验温度T时水的动力粘滞系数(Pa·s)
- η₂₀ — 20℃时水的动力粘滞系数(Pa·s)
不同温度下水的动力粘滞系数η值可查表获得。
六、注意事项
- 试验前必须确保土样完全饱和，避免气泡影响试验结果
- 安装渗透仪时，各连接处必须密封良好，防止漏水
- 试验过程中应保持水温恒定，避免温度变化对试验结果的影响
- 常水头试验中，水头差应保持恒定，水流应稳定
- 变水头试验中，变水头管的内径应根据土的渗透性选择合适的尺寸
- 量测渗透水量和时间时，应准确同步
- 试验结束后，应及时清理设备，保持实验室整洁
七、思考题
- 影响土的渗透性的因素有哪些？如何影响？
- 达西定律的适用条件是什么？什么情况下达西定律不适用？
- 常水头渗透试验和变水头渗透试验分别适用于什么类型的土？为什么？
- 为什么要进行温度修正？温度对渗透系数有什么影响？
- 在工程实践中，渗透系数有哪些应用？如何根据渗透系数评价地基的渗流问题？