一簡單的常水頭滲透實驗裝置

『壹』 某同學設計了圖示的滲透作用實驗裝置，實驗開始時長頸漏斗內外液面平齊，記作零界面．實驗開始後，長頸漏

A、水從水濃度高的地方向水濃度低的地方運輸，水分子從漏斗中流版出，當進入漏權斗中的水和流出的水一樣多時，達到動態平衡時，液面幾乎不動，A正確；
B、漏斗中的水分子從漏斗中流出道燒杯中，液面應該下降，B錯誤；
C、燒杯中的物質濃度較高，漏斗中的水分子從漏斗中流出到燒杯中，直到進入漏斗中的水和流出的水會一樣多，液面達到動態平衡，C錯誤，
D、液面應該下降，直到進入漏斗中的水和流出的水會一樣多，液面達到動態平衡，D錯誤．
故選：A．

『貳』 某同學製作了如圖1所示的滲透作用裝置

水從水濃度高的地方向水濃度低的地方運輸，燒杯中為蒸餾水，漏斗中為蔗糖溶液，因版此最開始時，水分子進權入漏斗的量大於流出的量，當進入漏斗中的水和流出的水一樣多時，達到動態平衡時，液面幾乎不動，故長頸漏斗內部液面的變化趨勢是先升高後維持在一定數值．
故選：B．

『叄』 常水頭滲透試驗用於粘質土對嗎

常水頭滲透試驗用擾動土(無粘聚性土);變水頭滲透試驗用原狀土(粘質土)，也可以用制備成給定密度的擾動土。

『肆』 如何准確判斷已給定的土體是常水頭試驗測試土體滲透系數

關於土的滲透系數是沒一個定值，它與土的顆粒組成、孔隙度、密實度，專更重要的是與土體的屬結構、裂隙的發育程度均有關系。一般情況採用現場原位抽水試驗測求的滲透系數比較客觀，室內滲透試驗結果往往與抽水試驗結果偏小很多。粘土的滲透系數很小基本上為不透水，一般小於0.1m/d.而粉土的滲透系數2～5m/d屬正常，黃土（以粉粒為主的）則最大滲透系數可達15～20m/d。岩土工程參數確定非常復雜，一定要具體情況具體分析，絕非確定一個數那麼簡單。

『伍』 做變水頭滲透實驗通常用什麼滲透裝置

（1）水通抄半透膜低濃度高濃度溶液擴散稱滲透．（2）由題意知低溫否影響物質跨膜運輸進行探究A組用水浴鍋加熱至37℃B組燒杯外加冰塊降溫則自變數滲透系統所處溫度環境差異變數液面高度；（3）該實驗能結與結論：①若1組漏斗液面高度比2組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率減慢；②2組漏斗液面高度比1組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速度加快；③若1、2組漏斗液面高度相同則說明低溫並影響物質跨膜運輸．（4）低溫影響物質跨膜運輸原低溫抑制酶性影響呼吸作用釋放能量；或者低溫影響細胞膜流性影響其功能．故答案：（1）滲透 （2）滲透系統所處同環境溫度 漏斗內液面高度變化（3）①若1組漏斗液面高度比2組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率減慢②若2組漏斗液面高度比1組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率加快③若1、2組漏斗液面高度相同則說明溫度高低並影響物質跨膜運輸（4）①低溫影響細胞膜流性影響其功能 ②低溫影響酶性影響呼吸作用釋放能量程

『陸』 為什麼要分常水頭實驗和變水頭實驗

實驗採用電化學滲透方法測定氫在車輪鋼中的擴散行為，實驗裝置示意如圖5.3。
試樣加在兩電解槽中間，用螺釘固定。試樣兩邊是兩個互不相通的電解槽，電解槽A為充氫槽，和它相接觸的樣品表面叫充氫面。

『柒』 土工試驗方法標准中的常水頭滲透試驗記錄表格有錯誤嗎

關於土的滲透系數是沒一個定值，它與土的顆粒組成、孔隙度、密實度，更重要的回是與土體的結構、裂隙的發育程答度均有關系。一般情況採用現場原位抽水試驗測求的滲透系數比較客觀，室內滲透試驗結果往往與抽水試驗結果偏小很多。粘土的滲透系數很小基本上為不透水，一般小於0.1m/d.而粉土的滲透系數2～5m/d屬正常，黃土（以粉粒為主的）則最大滲透系數可達15～20m/d。岩土工程參數確定非常復雜，一定要具體情況具體分析，絕非確定一個數那麼簡單。

『捌』 材料題：常水頭滲透試驗，500s滲透流量為100立方米，兩側壓孔高度為10cm，水位差為2.0cm，土樣斷面積為70

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『玖』 土石混合體滲透性能的試驗研究

周中¹ 傅鶴林¹ 劉寶琛¹ 譚捍華² 龍萬學² 羅強²

（1.中南大學土木建築學院 湖南 長沙 410075

2.貴州省交通規劃勘察設計研究院 貴州 貴陽 550001）

摘要 土石混合體屬於典型的多孔介質，其滲透特性與礫石的百分含量關系密切。通過自製的常水頭滲透儀，測定了不同含礫量時土石混合體滲透系數值，研究發現含礫量與土石混合體滲透系數之間存在指數關系；基於冪平均法，提出了土石混合體復合滲透系數的計算公式，並通過試驗結果驗證了該式的正確性，為土石混合體滲透系數的理論計算提供了一個簡明有用的計算工具。

關鍵詞 土石混合體 多孔介質 滲透性能 復合滲透系數 經驗公式

土石混合體一般是由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的粘土或砂組成，它是介於土體與岩體之間的一種特殊的地質體，是土和石塊的介質耦合體^［1］。因為土石混合體具有物質組成的復雜性、結構分布的不規則性以及試樣的難以採集性等特殊的性質，從而給研究帶來極大的困難，目前人們對於它的研究仍處於探索之中^［2］。滲透與強度和變形特性都是土力學中所要研究的主要力學性質，其在土木工程的各個領域都有重要的作用^［3］。土石混合體屬於典型的非均質多孔介質^［4］，其滲透系數是由高滲透性的礫石和低滲透性的土體復合而成的。土的滲透系數可以通過室內試驗由達西定理計算得出，然而土石混合體的滲透系數卻難以確定，主要原因是：取樣困難；難以進行常規的滲透試驗；大尺度的滲透試驗不僅造價高、准確性差，而且試驗結果離散度大，難以掌握其規律性。因此能夠求出土石混合體復合滲透系數的計算公式具有重要的理論意義和工程應用價值。

土石混合體中土與礫石粒徑的界限值為5mm，即將粒徑小於5mm的顆粒稱為土、大於5mm的顆粒稱為石，礫石含量用P₅表示^［1］。利用自製的常水頭滲透儀，研究礫石體積百分含量P₅從0%逐步過渡到100%（間隔10%）時土石混合體的滲透系數，每種配比作平行試驗3次，共33次滲透試驗。

1 土石混合體滲透性能試驗

1.1 試樣的基本物理力學性質

試驗所取土樣為正在修建的上瑞高速公路貴州段晴隆隧道出口處典型性土石混合體，其天然狀態土的物理指標及顆粒級配曲線見表1和圖1。由圖1可知現場取回土樣的不均勻系數C_u為12.31，說明土樣中包含的粒徑級數較多，粗細粒徑之間差別較大，顆粒級配曲線的曲率系數C_c為1.59，級配優良。

表1 天然狀態土的基本物理指標

圖1 天然狀態土的顆粒級配曲線

1.2 大型滲透儀的研製

《土工試驗規程》（SL237—1999）規定粗粒土的室內滲透系數需由常水頭滲透儀測試，國內常用的常水頭滲透儀是70型滲透儀。70型滲透儀的筒身內徑為9.44cm，試驗材料的最大粒徑為2cm，規范^［5］要求筒身內徑應為最大粒徑的8～10倍，因此70型滲透儀的筒身內徑過小，有必要研製大尺寸的滲透儀。自製滲透儀的內徑和試樣高度至少應為最大顆粒粒徑的8倍，即至少應為16cm，另外，考慮到邊界效應，試樣的上下兩頭分別增加2cm，因此，自製滲透儀的內徑和試樣高分別取為16cm和20cm。考慮到土石混合體的滲透性較強，選取進排水管的口徑為2cm。自製的大型常水頭滲透儀如圖2和圖3所示。

圖2 自行研製的滲透儀

圖3 常水頭滲透儀示意圖

數據單位為cm

1.3 試驗步驟

首先，將由現場取回的土樣烘乾、過篩，並根據粒徑的大小分為0～5 mm的土和5～20mm的礫石兩部分。然後，按照試驗要求的礫石體積百分含量P₅，以10%的初始含水量配製試樣，靜置24 h。試驗時，將配製好的試樣分層裝入圓桶中，每層裝料厚度30mm左右，分層壓實，記錄每層的擊實數。按上述步驟逐層裝樣，至試樣頂部高出測壓孔約3cm為止。測出裝樣高度，准確至0.1cm。在試樣頂部鋪一層2cm厚的細礫石作緩沖層。之後，由進水管注入蒸餾水，直至出水孔有水流出，靜置24 h使試樣充分飽和。用量筒從滲透水出口測定滲透量，同時用溫度計測量水溫，用秒錶測記經一定時間的滲水量，共測讀6次，取其平均值，6次結果相差不得超過7%，否則需重新測定。

1.4 試驗數據

按照試驗設計的各種礫石體積百分含量P₅共需作11組試驗，每組試驗作平行試驗三次，取3次測量的平均值，並乘以溫度校正系數

，即可求出每組試驗20℃時的滲透系數，滲透系數的測量結果見表2。

表2 滲透系數測定結果

2 試驗結果分析

2.1 滲透系數與礫石含量的關系

不同含礫量的顆粒級配曲線如圖4所示，由圖4可以求出各曲線的粒徑特徵系數及不均勻系數C_u和曲率系數C_c。

圖4 試樣的顆粒級配曲線

圖5為土石混合體礫石含量P₅與20℃時滲透系數的關系曲線。從圖5可以看出，隨著含礫量的增加，滲透系數急劇增加，可見，在設計中可以通過調節礫石的含量來控制土石混合體的宏觀滲透性能。

圖5 粗粒含量與滲透系數的關系

從圖5還可以發現，土石混合體中礫石的含量P₅與滲透系數k之間存在指數關系，與文獻［6］的研究成果相似，即

土石混合體

式中：k₀為P₅＝0時土的初始滲透系數；n為與土石混合體本身性質相關的常數。對於文中試驗值，k₀與n分別為0.0006cm/s和8.82。在工程中可以通過少量試驗來確定k₀，n值，以此來預測不同級配土石混合體的滲透性。

2.2 土石混合體的復合滲透系數

近幾十年來，許多學者在揭示影響和決定土的滲透系數內在因素及其相互關系方面進行了大量工作，並取得了有益的成果^［7～12］，被認為依然有效且目前常用的確定滲透系數的半經驗、半理論公式有：

（1）水利水電科學研究院公式^［7］：

土石混合體

式中：k₁₀，k₂₀分別為溫度為10℃和20℃時的滲透系數（cm/s）；η₁₀/η₂₀為溫度為10℃和20℃的粘滯系數比；n為孔隙率；d₂₀為等效粒徑（mm）。

（2）泰勒（Taylor）^［9］用毛管流的哈根-伯努力（Hange-Poiseuille）方程導出滲透系數的表達式：

土石混合體

式中：d_s為當量圓球直徑，可以用等效粒徑d₂₀代替；γ_w為液體容重；μ為液體粘滯度；e為孔隙比；C為形狀系數，通常取C＝0.2。

式（2）和式（3）均是針對土體的滲透特性提出的半經驗、半理論公式，然而對於非均質性更強、粒徑差別更大的土石混合體來說，其適用性不是很強。土石混合體中礫石形成骨架，細顆粒充填孔隙，其滲透系數是由低滲透介質土體的滲透系數k_S和高滲透性介質礫石的滲透系數k_G復合而成。土石混合體復合滲透系數不是按體積百分含量的簡單復合，而是高低滲透性介質的耦合。在參考相關文獻^{［10～12］}的基礎上，基於冪平均法，本文提出的土石混合體復合滲透系數k復合的表達式為

土石混合體

式中：P₅為礫石的體積百分含量，%；k_G為礫石的滲透系數，cm/s；k_S為土的滲透系數，cm/s；f為系數。

礫石的體積百分含量P₅可以由篩分法求出；土的滲透系數k_S和礫石的滲透系數k_G可以由室內試驗直接求出或參考相關資料確定；系數f可以通過少量試驗回歸分析確定，因此可以說（4）式是一個簡明實用的土石混合體復合滲透系數計算公式。

圖6 不同計算方法結果比較

為進一步驗證（4）式，我們將試驗測得的k值與用（2），（3），（4）式計算得到的k值進行對比分析。結果見圖6，具體數值見表3。由圖6和表3可知據水利水電科學研究院公式和泰勒公式計算結果均高於實測值，尤其是當P₅≤30%時，（2）式計算結果和（3）式計算結果比實測值大2～3個數量級，與實測值相差較大。而用本文方法得到的土石混合體的滲透系數最接近實測值，平均相對誤差僅為0.6%，能夠作為土石混合體滲透系數定量預測的有效工具。在工程設計中，可以根據工程對土石混合體滲透性的要求，依據本文提供的經驗公式，調整土石混合體中礫石的含量，達到控制土石混合體滲透能力的目的。

表3 土石混合體滲透系數及相關參數

3 結論

（1）利用自製的常水頭滲透儀，測定了不同含礫量時土石混合體的滲透系數值，並指出含礫量與土石混合體滲透系數之間存在指數關系。在工程設計中可以通過合理調整土石混合體中礫石的含量，達到控制其滲透性能的目的。

（2）指出土石混合體的滲透系數是一種由高滲透性的礫石和低滲透性的土體復合而成的，給出了土石混合體復合滲透系數的計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的定量預測提供了一個簡明有用的計算工具。

參考文獻

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