常水頭滲透試驗(yàn)原理和誤差原因分析

高 強(qiáng)

福建省建科院檢驗(yàn)檢測有限公司（361000）

0 引言

沿海城市由于地域的限制，原有城市規(guī)模已無法滿足城市化發(fā)展的需要和人們對(duì)美好生活的期望。為解決土地資源稀缺問題，吹填造地被廣泛地運(yùn)用在實(shí)際工程中，同時(shí)排水固結(jié)加速沉降過程也在地基處理中發(fā)揮了舉足輕重的作用。排水固結(jié)技術(shù)中材料的滲透系數(shù)主導(dǎo)了地基處理最終的效果，因此準(zhǔn)確地測得砂的滲透系數(shù)，可以為吹填造地工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)，同時(shí)也可用以檢測施工質(zhì)量。了解滲透試驗(yàn)的原理和操作步驟，熟悉操作步驟中產(chǎn)生誤差的原因并且注意避免相應(yīng)的誤差，確切地測得砂的滲透系數(shù)，在具體工程中可以發(fā)揮重要的作用。

1 試驗(yàn)原理

常水頭滲透試驗(yàn)的原理為達(dá)西定律，表述為單位時(shí)間內(nèi)的滲透水量Q與試樣的斷面積A和水力坡度i=ΔH/L為正比例關(guān)系且與砂的透水特性有關(guān),滲透系數(shù)通過試驗(yàn)記錄滲透水量Q、兩測壓孔中心之間的樣品高度L、平均水位差H以及所用時(shí)間t，就可以計(jì)算得到樣品的常水頭滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)方法

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40—2007 中規(guī)定，室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)所用儀器應(yīng)滿足下列要求:有封底圓筒，高40 cm、內(nèi)徑10 cm；金屬孔板距筒底6 cm；有三個(gè)距離為10 cm 的測壓孔，與筒邊連接處有鋼絲罩面。

前期需要對(duì)砂進(jìn)行最大干密度和比重試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際需要的孔隙比制作試樣，分層填筑，用木錘輕輕擊實(shí)到要求厚度，以滿足孔隙比。每層樣品裝入儀器后，用水使樣品慢慢飽水；如此分層填筑、飽水，直到樣品高度超出測壓管高度3～4 cm 為止。在制備的樣品上面鋪1～2 cm 厚的碎石作為緩沖層，調(diào)節(jié)水面高出碎石層約2 cm。使水由試樣頂面流入，至水平面達(dá)到溢水孔高度為止。調(diào)整水力坡降，即改變調(diào)節(jié)管的位置，以保持儀器內(nèi)水面不變。記錄水位的差值，啟動(dòng)秒表；同時(shí)測量一段時(shí)間內(nèi)的出水量，并再次測量數(shù)據(jù)，記錄秒表讀數(shù)和水溫。最后按照公式計(jì)算常水頭滲透系數(shù)，并換算為20 ℃水溫時(shí)試樣的常水頭滲透系數(shù)[1]。

3 常水頭滲透試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，按照誤差的特性，可以把測量誤差分成系統(tǒng)誤差、過失誤差和隨機(jī)誤差。試驗(yàn)中要留意和研究各種系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，注意規(guī)避過失誤差的出現(xiàn)。常水頭滲透試驗(yàn)的數(shù)值與很多因素都有關(guān)系，如人員操作、原材料、儀器設(shè)備、方法、環(huán)境等。找到引起誤差的原因，分析其對(duì)試驗(yàn)造成的影響，并且找到解決辦法，才能得到真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 人員操作原因

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40—2007 中要求，試樣分層填筑完成后，需要從圓筒上部注水至水面與溢水孔齊平。這就要求試驗(yàn)人員在制作試樣、分層填筑的時(shí)候，要按照試驗(yàn)步驟精細(xì)化制樣，在試樣飽和過程中要注意飽和速度，因?yàn)橹饾u飽和才可以排除樣品中的氣體，降低試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)過程中，在測壓管水位不變后，需要記錄水位，得到水位的差值。實(shí)際試驗(yàn)過程中，往往會(huì)出現(xiàn)測壓管1 和測壓管2的水位差與測壓管2 和測壓管3 的水位差不相等的情況，這是由于試驗(yàn)人員在制樣的時(shí)候沒有把握好每層樣品的孔隙比，造成樣品制備的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。一些試驗(yàn)人員對(duì)規(guī)范理解的不透徹，不明白試驗(yàn)的基本原理，甚至無證上崗；一些試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過程中缺乏耐心，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

表1 為同一種試樣、相同孔隙比條件下，制備試樣均勻和不均勻兩種情況的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

從表1 可以看出:同樣的樣品，其試樣是否均勻?qū)ψ罱K的常水頭滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生很大影響。

3.2 材料原因

在試驗(yàn)中有一項(xiàng)重要工作就是樣品質(zhì)量控制。樣品是否具有代表性是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵所在，這對(duì)取樣和制樣操作提出了更高的要求，取樣、制樣要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，不得隨意省略步驟[2]。樣品應(yīng)該具有代表性，但在實(shí)際取樣過程中，可能由于取樣人員的疏忽而導(dǎo)致試驗(yàn)樣品跟現(xiàn)場用到的材料差別很大，得到的常水頭滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果較比實(shí)際結(jié)果有較大偏離；或者由于試驗(yàn)人員沒有采用四分法取樣而導(dǎo)致試樣不具有代表性，影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。

3.3 儀器設(shè)備原因

試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差的原因通常是設(shè)備本身出現(xiàn)了問題，試驗(yàn)室儀器精度是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素[3]。儀器設(shè)備因老舊而無法滿足試驗(yàn)要求、儀器尺寸不符合規(guī)范要求、測壓管上的橡皮管開裂老化等都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該使用經(jīng)國家法定計(jì)量單位檢定合格并在有效期內(nèi)的儀器進(jìn)行試驗(yàn)。加強(qiáng)對(duì)儀器的維護(hù)，以保障其檢測精度、延長其使用壽命。

3.4 方法原因

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40—2007 要求，試驗(yàn)用水在試驗(yàn)前需要用抽氣法或煮沸法脫氣，試驗(yàn)過程中的水溫宜高于室內(nèi)溫度3 ℃～4 ℃。有些試驗(yàn)人員為圖方便，在試驗(yàn)中直接采用未經(jīng)脫氣的蒸餾水或者自來水，導(dǎo)致試驗(yàn)得出的常水頭滲透系數(shù)偏小。表2 為在試驗(yàn)中采用脫氣蒸餾水和未脫氣蒸餾水的結(jié)果對(duì)比。

表2 試驗(yàn)用水對(duì)常水頭滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的影響

從表2 可以看出，測試前是否對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行抽氣或煮沸處理，對(duì)常水頭滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。水中含有的氣體對(duì)滲透試驗(yàn)造成干擾，是因?yàn)樗袣怏w分離變成氣泡阻塞了砂的孔隙，使得試驗(yàn)樣品的滲透系數(shù)減小。同時(shí)試驗(yàn)中水溫高于室內(nèi)溫度3 ℃～4 ℃，可以避免水進(jìn)入砂中并因溫度上升而分離出氣泡，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果。

3.5 環(huán)境原因

在試驗(yàn)過程中，要盡量保持室溫恒定，同時(shí)要準(zhǔn)確記錄進(jìn)水處和出水處的水溫。水的動(dòng)力黏滯系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而減小，水的動(dòng)力黏滯系數(shù)與滲透系數(shù)成反比例關(guān)系。如果試驗(yàn)過程中室內(nèi)溫度變化很大，得到的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值之間就會(huì)存在較大的偏差。水的黏滯性對(duì)滲透系數(shù)的影響較大。水的黏滯性會(huì)隨著水溫的降低而變大，水溫越低，水的黏滯性越大，則滲透系數(shù)就越小；反之，水溫高，滲透系數(shù)則較大[4]。

4 結(jié)語

根據(jù)以上分析，建議室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行脫氣處理，并且試驗(yàn)時(shí)水溫宜高于室內(nèi)溫度3 ℃～4 ℃。制備樣品時(shí)，要分層填筑，保證整體孔隙率相同，保證試樣的均勻性。試驗(yàn)人員要嚴(yán)格按照規(guī)范中要求的試驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，試驗(yàn)前要檢查儀器是否滿足規(guī)范要求，采用四分法分樣，保證數(shù)據(jù)的精確性；試驗(yàn)過程中盡量保持室溫恒定，避免因室溫波動(dòng)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾。試驗(yàn)人員是確保檢測結(jié)果正確性和可靠性的關(guān)鍵因素，必須通過不斷的深入學(xué)習(xí)和探討來提升自身的專業(yè)技能，以保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。