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1、粗颗粒土的渗透及渗透变形试验 S L2 3 7 - 0 5 6 - 1 9 9 9 目的和适用范围 1 . 0 . 1 本试验 的目的是侧足粗颗粒土在渗流水通过时 ， 试样的渗 透系数和细颗粒随渗流逐渐流失的临界坡降 ( 管涌)及土体整体 浮动时的破坏坡降 ( 流土) 。 1 . 0 . 2本试验适用于扰动的粗颗粒土试样和原状粗颗粒土试样 。 2引 用 标准 S L 1 1 4 -9 5 杠杆式固结仪校验方法。 S L 2 3 7 -0 5 3 -1 9 9 9 粗颗粒土的土样制备 。 3仪器 设备 3 . 1 仪器设备 3 . 1 . 1 垂直渗透变形仪: 见图3 . 1 . 1 。 包括仪
2、器筒、 顶盖、底座、 透水板及支架。仪器筒身内径为 2 0 c m和3 0 c m两种;仪器高度 分别为直径的3 倍和 2 倍。顶盖中心为一活塞套。透水板分上透 水板和下透水板，上透水板兼起传递荷载作用。透水板孔径分别 为 3 , 5 , 7 mm ( 在下渗水板之下，也可设置斜透水板，坡度为 C :) ( : 1 - 5 ) ，用以排除水中含气，斜透水板上端设有排 气孔 ) 。 3 . 1 . 2 供水设备: 供水箱， 提升架、 橡皮管。 供水箱设置溢流堰， 能保持常水头。 3 . 1 . 3 加荷设备:活塞杆、加荷框架、加荷杠杆和百分表支架 4. 3 0 3 . 1 . 4 量测设备: 测
3、压管、 量筒、秒表、 温度计、百分表和测压装置。 3 . 1 . 5 其他设备: 击锤 ( 或振动器) 、 台 秤、天平及标准筛等 3 . 2 仪器设备的检定和校准 3 . 2 . 1 加荷设备:加荷框架、加荷杠杆 应参照 S L 1 1 4 -9 5的杠杆校验和珐码校 验进行校验。 3 . 2 . 2 量测设备: 量筒、 秒表、 温度计、 百分表等应按有关规程进行检定。 3 . 2 . 3 台秤、天平应按有关检定规程进 行检定 。 3 . 3 仪器检查 3 . 3 . 1 将下进水口与供水管相连接，使 仪器充水，检查仪器的各部件是否堵塞 及漏水等。 检查完毕后， 降低供水箱， 使 水箱中水位
4、与下透水板的下沿齐平。 3 . 3 . 2 取去顶盖，放人孔径 5 mm的下 透水板， 并铺以同样直径的滤网， 以免细 料漏失沿仪器壁和滤网之间的接触缝 隙涂一圈油泥或橡皮泥 图 3 . 1 . 1 垂直渗透 变形仪示意图 1 一简身2 一上盖 ;3 一 上透 水板4 一下透水 板 ; 5一 斜透 水 板; 6 一 上进水 口( 溢水 口) ; 7 一下进 水 口( 溢水 口) ; 8 一测 压孔9 一排气 孔工 。 一 上排 气孔 . 1 1 -橡皮止水 ; 1 2 -集砂 器 ;1 3 一 支架 3 . 3 . 3 开启全部测压孔，使之处于排气状态。 4操作 步 骤 4 . 1 试样制备
5、4 . 1 . 1 扰动试样制备。 1 从风干、 松散的土样中， 取具有代表性土样， 进行颗粒分 析试验，确定试样的颗粒级配，并绘制颗粒级配曲线。 2 根据试验土样粒径， 按仪器内径应大于试样粒径d a s 的 5 倍 431 选择仪器。当常规试验的仪器内径不能满足要求时， 应设计加工大 直径的渗透变形仪。或根据试样情况， 亦可对最大允许粒径以上的 粗颗粒按S L 2 3 7 -0 5 3 - 1 9 9 9 规程3 . 1 . 3 的规定加以处理。 3 根据需要控制的干密度及试样高度 ， 按式 ( 4 . 1 . 1 )计算 试 样质量 : m ,=p , a r h ( 4 . 1 . 1
6、 ) 式中m, 试验需要的干土质量， 9 ; P , 一 一 需控制的干密度，S / c m ; r 一 一 仪器筒身半径，c m; h 一 一 试样高度，c m 4 称取试样后， 为减少粗细颗粒分离现象， 保证试样的均匀 性，应当分层装填试样，且每层的级配应相fa l ，还可酌加相当于 试样质量 1 0 0 - - 2 %的水分，拌和均匀后再进行装样。 s 将称好的试样均匀分层装人仪器中， 用击实锤 ( 对于风化 石渣或易击碎之土料可采用振动加密法)击实。达到要求的密度 试样总厚度: 砂土不小于1 0 c m;细砾石不小于1 5 c m; 中粗砾石 为2 0 -2 5 c m ; 卵 石不应
7、小于d ; 的3 -5 倍， 以 包括试 样中最大 颗 粒为度。 装填分层厚度砂土一般为2 3 c m; 砂砾石及砂卵石为 d , : 的 1 . 5 一2 . 。 倍。 4 . 1 . 2 原状试样制备 1 取样位置 应选择有代表性地层和渗流流态条件的不同部 位，如防渗墙底部、坝基内部段、水流出逸段、抗渗强度较低处 等部位取样 。 2 在取样地点首先挖一尺寸大于试样尺寸的土柱， 除去土 样表面的扰动土，再用削土工具小心地慢慢地将土样削至所要求 尺寸 ( 圆形) 3 环绕土柱底四周的水平土面 仁 铺垫一层砂，并使垫砂 平整 4 套上筒身， 筒身与试样周围间隙大致相等， 埋设中间测压 管，间距
8、1 0 c m左右，然后在试样周围浇注膨胀快凝水泥砂浆 4 3 2 ( 配合比: 水灰比。 . 6 5 、灰砂比 1 : 1 ,掺 2 0 %生石膏、2 0 %氯化 钙、。0 0 5 %铝粉) ，浇好养护 5 待砂浆有一定强度后 ( 一般 2 4 h ) ，小心地切断土柱，然 后连同筒身运至室内将试样削平，在试样下端放置下透水板及 斜透水板。接上下进水口，并与供水管连接 4 . 2 试样饱和 4 . 2 . 1 试样装好后， 测量试样的实际厚度， 然后采用热水饱和法 进行饱和， 即在供水箱内贮存热水， 使水位略高于试样底面位置， 再缓慢地提升水箱， 每次提升1 c m， 待水箱水位与试样中 水
9、位相 等，并停1 0 min后， 再提升水箱。随着供水箱上升， 让水由仪器 底部向上渗人，使试样缓慢饱和，以完全排除试样中的空气。与 此同时， 随着水位上升， 应接通相应的测压管。 ( 若试验用自来水， 应至少贮存一天曝气后再用来作试验用水，以减少水中气体的 离析 ) 。 4 . 2 . 2 为减少试验过程中由于试验用水分离出的气泡堵塞试样 孔隙， 影响试验准确度， 力求使试验用水的温度等于或高于室温， 或采用其他排气措施 4 . 3 试验步骤 4 . 3 . 1 根据工程要求，如需要在试验过程中在试样顶面施加荷 载，则利用加荷设备，通过活塞及_ 透水板对试样施加荷载。 4 . 3 . 2 试
10、验时， 选择初始渗透坡降及渗透坡降递增值， 应先根据 细粒含量大致判别试样渗透变形的破坏形式。如为管涌破坏，则 渗透坡降初始值及递增值要小一些。如为流土破坏，则渗透坡降 初始值及递增值应大一些。其原则是既要测得试样临发生变形前 的坡降，又能准确地测得临界坡降。 4 . 3 . 3 提升供水箱， 使供水箱的水面高出渗透容器的溢水口( 上 进水口) ，保持常水头差，形成初始渗透坡降。 4 . 3 . 4 对管涌土，加第一级水头时，初始渗透坡降可为 。 . 0 2 - 0 1 0 3 ; 然后一般可按 。 . 0 5 , 0 . 1 , 。1 5 , 。 . 2 , 0 . 3 , 0 . 4 ,
11、0 . 5 , 0 . 7 , 1 . 0 , 1 . 5 , 2 . 0 , 等坡降递增 但在接近临界坡降时， 渗透坡降 43 3 递增值应酌量减小。 对于非管涌土， 初始渗透坡降可适当提高， 渗 透坡降递增值应适当放大 4 . 3 . 5 每次升高水头3 0 mi n至1 h后， 测记测压管水位， 并用量 筒测读渗水量3次。每次测读间隔时间一般为1 0 - 2 0 mi n 。同时 测读水温、室温。对非管涌土，测读间隔时间可适当延长。仔细 观察试验过程中出现的各种现象，如水的浑浊程度、冒气泡、细 颗粒的跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水 位的变化等，并描述记于记录中。 4
12、. 3 . 如果连续4次测得的水位及渗水量基本稳定， 又无异常现 象，即可提升至下一级水头。 4 . 3 . 7 对于每级渗透坡降，均按本规程 4 . 3 . 5的规定重复进行， 直至试验破坏。当水头不能再继续增加时，即可结束试验。 5计 算 和 制 图 5 . 0 . 1 按下列两式计算试样的干密度和孔隙率。 1 干密度 : 2 孔隙率: 一( 式中an d 试样干质量， 1 一 刀 d tt r h P d 、 ， 。 - .二n iw P w 行 , l ( 5 . 0 . 1 - 1 ) ( 5 . 0 . 1 - 2 ) r 试样半径， 六 一一试样高度，cm ;cm ; P d 干
13、密度， g / c m ; p - 一 一水的密度， g / c m a ; n 孔隙率， %; G , 土粒比重。 土粒比重G应为粗细颗粒混合比重，即: 43 4 ( 5 - 0 . 1 - 3 ) 的土粒比重 ; 土的含量， % ( 5 . 0 . 2 ) Inrnmm协 式中G , , G a 分别为粒径大于和小于5 尸、尸 : 分别为粒径大于和小于 5 5 . 0 . 2 按式 ( 5 . 0 . 2 )计算渗透坡降: l 了 ， =万一 式中I 渗透坡降; H测压管水头差，c m; L 与水头差 H相应的渗 径长度， 5 . 0 . 3 按式 ( 5 . 0 . 3 )计算渗透流速:
14、 Q v= A 式中 Q 一 渗 流 量， c m 丫 s ; A 试 样 面 积， c m ; 。 渗透流速，c m/ s 5 . 0 . 4 按式 ( 5 . 0 . 4 )计算渗透系数: k T = v ( 5 - 0 - 3 ) ( 5 . 0 - 4 ) , 式中 符号见本 规程式 ( 5 . 0 . 2 ) 、式 ( 5 - 0 - 3 ) 注:标准温度 ( 2 0 C时试样的渗透系数应为k . =k , 度的关系杳 5 1 . 2 3 7 -0 1 4 - 1 9 9 9 渗透试验表 3 . 4 . 2 , 7 so ， 比 值 念 57,0 温 5 . 0 . 5 在双对数纸上
15、， 以渗透坡降: 为纵坐标，渗透速度二为横 坐标，绘制渗透坡降与渗流速度关系曲线 ( l g i -I g v曲线) ， 如图 S . 0 . 5 e 5 . 0 . 6 对管涌破坏的试样，应分别确定其临界坡降及破坏坡降 首先根据试样的总厚度作出I g i - - I g , 曲线，必要时还应作出测压 管之间试样厚度的l g i -l g v 曲线。 临界坡降可根据I g i - l g 二 关系 曲线 ( 图5 . 0 . 5 )进行判断。 43 万 ! 一 口 一 厄 月 日 巨 g 1 ! 气 十粉 i吐 曰田 日 十 出挂 l 1 餐必川一l 一!以 山 3子七 一山上 川 匕山 且
16、. . .一 二 2 二Z 了 一人 万 叮 ) 5 1 干一1 1 一 ! 1 1 11 一11 1 日 一 一 一 ! 一 1 一 川 】 日 一 1 _ 川 。 ! ! ! ! 一一 1 川 一 川 日 0 。00 1 图 5 . 0 . 5 1 9 ， 一l g y曲线 当1 9 ; 一l g y关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始 跳动或 被水 流带出时，认 为该试样 达到了临界坡 降 ; * ，其 值为: ( 5 . 0 . 6 一 1 ) +一2 式中礼 开始出现管涌时的坡降; 1 1 开始出现管涌前一级的坡降。 随着水头逐步加大，细粒不断被冲走，渗透流量变大，当水 头增加
17、到试样失去抗渗强度.该坡降称为试样的破坏坡降 1 * ，其 值为: 汽 + 衬 厂 =一 一丁 一 ( 5 . 0 . 6 一 2 ) 式中; ， 2 试样破坏时的渗流坡降; 11 1 试样破坏前一级的渗流坡降。 发生流土破坏时，有时11 : 不易测得，则可按下式计算: 1 ;=2 ， 、( 5 . 0 . 6 一 3 ) 6记录 6 . 0 . 1 本试验记录格式如表 6 . o . 43 6 留州 脚吧 万肠 器一 经 一 一川 1 川而 碧一 圣 一 川 一 一 一 一 此 翻 她 映 侧 N一 、 婆一 川川一 一一 甸_ 伯 h. ， 暇 一 川川一川一 嘲公 优勺只 石甘 一川一
18、! 】一川一 魏 蔫场 借一 ! 一 川一 川! 一 澎拓 指誉刹 承一【 川川一 川一 ， 每 卜若 渤 u 2 一试样 ;3 一出水 口 1 在仪器进水段及出水段应各布置一个测压管， 以测定试样 总坡降。 2 试样段测压管应布置较密些 一般每隔 5 . 0 c m布置一个。 布置方式不限，可以分排布置，也可以螺旋形布置或其他布置 形式 。 3 在作反滤层试验时， 必须在反滤层与被保护土之间及反滤 层每层之间的接触面上布置测压管。 4 在作水平渗透变形及接触冲刷试验时， 在不同介质接触面 上，应每隔 5 c m布置测压管。 5 测压板上的玻璃管一定要垂直， 各个玻璃管内径相互误差 不大于2
19、m m, 6 测压板上零点读数， 应低于仪器的第一个测压管， 测压板 上的最高读数应比最高水箱的水位略高些。 4 . 1 . 1 关于超粒径处理办法见S L 2 3 7 -0 5 3 -1 9 9 9 粗颗粒土的 土样制备3 . 1 . 3 条文说明。 试样装人仪器内，不可能与仪器边壁很好结合，容易形成边 壁通道，渗流集中。因此，管涌往往首先从边壁孔隙内发生。这 样，测得的管涌临界坡降就会偏小，使得试验成果失真，必须进 行边壁外理。其处理办法，目前均处在摸索阶段，例如用凡士林 或橡皮泥涂在侧壁周围等。这些处理办法均是在试样分层装人仪 器时，同时逐层进行的。 4 . 1 . 2 过滤排气可以起到
20、一定作用， 当水流自下向上流动时， 先 通过倾斜透水板滤气并通过排气孔排出，然后通过下透水板进人 试样，可以收到一定效果。 4 . 3 . 3 , 4 . 3 . 4 为了 缩短试验时间， “ 8 7 规程” 将渗流 坡降的递增 值，采用逐级加大的方法，即是随着试验的不断进行，将其相邻 两级的坡降差额，逐步加大，类似于等比级数那样。这样做的目 的是既节省了试验时间，又不会增大相对误差。但应按既要取得 试样临发生变形前的坡降值，又要能准确找到变形的临界坡降的 原则，视具体情况掌握对于非管涌土，递增值可大些，对于管 7 2 7 涌土递增值宜小些。在临界状态以后至破坏坡降这一段，由于历 时较长，递增
21、值可大些 5 . 0 . 4 , 5 . 0 . 5 试验中对管涌的鉴别， 国内外缺乏一个明确标准， 概括起来，不外乎下列几种: 1 试验人员从仪器周壁及试样表面，直接用肉眼观察 z 在双对数纸上，以渗流坡降 ( I )为纵坐标，渗透速度 c v ) 为横坐标， 绘制i -v关系曲线。 若试验期间， 温度变化不大， 坡降较小，则根据达西定律:即管涌发生以前， i 一二 线段应为直 线， 其斜率等于 1 ; 管涌开始后， 一般说来， 该直线段将发生明显 转折。 3 供水水箱位置升高， 而上游测压管水位并不相应升高， 甚 至下降，流量加大，说明试样内部结构已起变化 4 试样表面有 2 邝 的面积出现细粒跳动， 或泉眼翻滚， 形成 破坏。 从上面所列举的几条标准来看，立足点并不一致，有的是说 明管涌的临界坡降， 有的则是说明管涌的破坏坡降。 对管涌而言， 其变形有一个发展过程。 在 i -v 关系曲线上表现为: 当第一个阶 段接近终了时， 斜率为 1的直线段发生转折， 到达管涌临界坡降 管涌过程进人第二阶段， 这时 i -v 直线与横轴成某一角度继续上 升。 在经历一个过程后，到达第三阶段， 此时i - v曲线的纵坐标 ， 值随v的增大而减小， 此转折点所对应的坡降值为破坏坡降。 综 上所述，对管涌的鉴定，应以: - v曲线为主，并结合目测。 7 2 8