变水头法测试原理

在变水头试验中，土样高L，横截面面积为A，在初始水头差h₀作用下，水从带有刻度的变水头管(截面面积为口)中自下而上渗过土样，保持土样顶面的水头不变，变水头管中的水位将逐渐下降，渗流的总水头随之减小。

试验时，测记初始时刻t₀和一定时间t₁对应的总水头差h₀和h₁，同时测记水温，根据上述试验结果和达西定律，即可推出土样渗透系数K_r的表达式：

K_r=（a×L）/A（t₁-t₀）×ln（h₀/h₁）

变水头法是指在实验室测定渗透系数的试验过程中，水头差一直随时间变化，且适用于测定渗透性很小的黏性土的试验方法。

由于细粒土渗透系数很小，流经试样的水量很少，难以准确测量，所以细粒土适用变水头渗透试验法。

变水头法需要用到的仪器有：渗透容器、变水头管、供水瓶、进水管等。其中，渗透容器包括环刀、透水石、套环、上盖和下盖。环刀内径61.8 mm，高40 mm。变水管的内径应均匀，管径不大于1 cm，管外壁应有最小分度为1 mm的刻度，长度2 m左右。

变水头法的装置示意图如图1所示，水流从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管白上而下渗过土样。

变水头法的操作步骤如下：

①将装有土样的环刀装入渗透容器，旋紧螺母，密封至不漏水、不漏气。

②将渗透容器的进水口与变水头管连接好，利用供水瓶中的纯水向进水管注水，并渗入渗透容器；打开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直到溢出的水中无气泡；关排水阀，关进水管夹。

③向变水头管中注纯水，让水位升高到预定高度，待水位稳定后切断水源，开进永管夹，使水渗过土样。当出水口有水溢出时开始测记变水头管中初始水头高和初始时间，然后按相应时间间隔测记水头和时间，并测定出水口处的水温。

④用不同的初始水头重复试验5～6次，当渗透系数误差值在允许范围内时，即可结束试验。

在变水头法的试验过程中，需要注意的事项是：①试验过程中要及时排除试验和管路中的气泡；②为准确控制v-i的曲线，要求测点分布均匀，水头差控制要均匀；③用渗透环刀切取渗透试样时，应尽量避免土样结构的扰动，严禁用削土刀反复涂抹试样表面；④测定黏性土的渗透系数时，应防止水从环刀和土样之间的缝隙中流过，产生水流短路现象。 2100433B

(1) 变水头试验中，每次测得的水头h1和h2的差值应大于10cm；

(2) 变水头试验过程中，若发现水流过快或出水口有混浊现象，应立即检查有无漏水或试样中是否出现集中渗流，若有，应重新制样试验；

(3) 渗透试验一定要用无气水作试验，否则，试验过程中水中的气泡会在试样内集中，使测得的渗透系数随渗透时间的延长不断减小，产生不允许的试验误差；

(4) 试验过程中，由于渗透力的作用，使土的干密度发生变化，从而使渗透系数发生变化，因此，渗透试验的时间不能太长，水头差不能太大；

(5) 规范规定采用水温20°C或10°C时的渗透系数作为标准渗透系数。

1、滞后时间的概念

在钻孔中注水后出现一剩余水头H₀并以初始流量q₀进行渗透,当H₀消散到零水头时所需要的时间为渗透时间。但实际上剩余水头H₀与渗透流量q是随时间而变化的,所以要找到一个变量,使剩余水头与相应的时间所取得的结果恰等于上述剩余水头H₀以初始流量q₀的流速使H₀消散时所需的时间T,称为滞后时间。

2、滞后时间的原理

根据达西定律,可确定在剩余水头H₀的情况下其初始流量q₀为:

q₀=KH₀F

式中:q₀——为初始流量,cm³/min;

H₀——为初始剩余水头,cm;

F——为试验段和蓄水管的几何形状系数,cm(右表)。

为了取得在各土层条件下测得工程所需的不同渗透参数,可在试验段选择如下装置形式：

1)钻孔全部下套管,孔底敞口,试验土层与孔底齐平。

2)钻孔全部下套管至孔底,孔底敞口,试验土层顶板为不透水层。

3)钻孔不下套管或部分下套管,试验段裸露或下花管,孔壁与孔底进水。

4)钻孔不下或部分下套管,试验段裸露或下花管,孔壁与孔底进水,试验土层顶部为不透水层。

变水头渗透系数应按下式计算：

式中

a——变水头管的断面积（cm2）；

2.3——ln 和log 的变换因数；

L——渗径，即试样高度（cm）；

t₁，t₂——分别为测读水头的起始和终止时间（s）；

H₁，H₂——起始和终止水头。