土力学渗透实验

土力学实验总结引言土力学是土木工程领域中非常重要的一门学科，它研究土体在外力作用下的力学性质和变形特征。

为了深入了解土体的力学行为，我们在课程中进行了一系列土力学实验。

通过实验的设计和观察，我们可以更好地理解土体的力学性质，并在实际工程中应用这些理论知识。

本文将对我们进行的土力学实验进行总结和分析。

实验一：土壤密度与含水率的关系本实验旨在探究土壤密度与含水率之间的关系。

在实验中，我们首先收集了不同含水率的土样，并利用托盘法测定了土壤的湿重。

然后，我们将土样在恒定重力的作用下进行振实，进一步测定了土样的体重。

通过计算土样的干重和湿重，我们得出了含水率的数值，并根据振实后的土样体重计算了土壤的干体积。

最后，我们根据实验数据绘制了土壤密度与含水率之间的关系图。

实验结果表明，土壤密度随着含水率的增加而降低。

这是由于在含水率较高的情况下，土壤中的水分使得土粒之间的接触表面积减小，从而降低土体的密实度。

实验二：土体的黏聚力和内摩擦角本实验旨在测定土体的黏聚力和内摩擦角，以了解土体的抗剪强度。

我们采用了直剪试验的方法，使用剪切箱和剪胶来进行试验。

首先将土样装入剪切箱中，并施加垂直荷载，使土样达到垂直压实状态。

然后，在垂直荷载的作用下，通过水平切割土样来施加剪切力。

通过不断增加剪切力，直到土样破裂为止，我们得出了土体的抗剪强度。

实验结果显示，土体的黏聚力与内摩擦角与土样的孔隙水压力有关。

当孔隙水压力较低时，土体的黏聚力占主导地位；而当孔隙水压力较高时，土体的内摩擦角对土体的抗剪强度起主导作用。

实验三：土壤的渗透性本实验旨在测定土壤的渗透性，以了解土壤的水力特性。

我们采用了渗流试验的方法，设计了一套渗流装置。

通过施加一定的水头差，使水从试验土样中渗透流动，并记录流过的时间和渗透量。

通过计算得出土壤的渗透系数。

实验结果表明，土壤的渗透性与土壤颗粒和孔隙结构密切相关。

粒径较大、孔隙连通性好的土壤具有较高的渗透性；而粒径较小、孔隙连通性差的土壤渗透性较低。

【关键字】实验3.2.2 尾矿的渗透特性影响上游法筑坝尾矿库安全稳定性的诸多因素中，尾矿库的渗流状态是最重要的因素之一。

只有深入分析尾矿库的渗流状态，才能确定合理的筑坝工程指标，选择合适的排渗方案，从而保证尾矿库的安全[65,73,74]。

目前，国内外对尾矿库进行渗流分析时很少考虑尾矿的渗透系数随填埋位置和时间的变化。

近代土力学的研究表明，土的渗透特性与土中孔隙的多少和孔隙的分布情况密切相关。

随着尾矿的排放，下部堆积尾矿的上覆土压力逐渐增加。

在上覆土压力的作用下，尾矿将逐渐排水固结，随着固结的进行，尾矿孔隙比逐渐减小，而孔隙比的减小必然引起渗透系数的变化。

堆积尾矿的渗透系数与上部固结压力和孔隙比之间存在何种关系是一个值得探讨的问题[75-76]。

本文通过室内试验的方法，研究不同固结压力和孔隙比条件下各类尾矿的渗透系数变化情况，从而为尾矿库渗流稳定性分析提供科学依据。

（1）固结—渗透联合测定装置说明①固结—渗透联合测定装置构造说明现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为《土工试验方法标准》[68]（GB/T50123-1999）中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水头渗透试验”中的变水头渗透仪。

上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。

针对目前常见渗透试验装置存在的不足，为了减少同一试验中相同土样的制备数量和消除同一试验相同土样在制备过程中产生的误差，作者在70型渗透仪的基础上进行了合理改进，自行研制了固结—渗透联合测定装置，该装置不仅实现了定量、均匀施加固结压力，精确测定单一固结压力下的渗透系数的基本目的，而且实现了针对一个土样可以连续精确测定不同固结压力条件下土样的渗透系数，得到固结压力—孔隙比—渗透系数的定量变化规律，弥补了普通渗透装置由于无法定量、均匀施加固结压力，导致无法精确测定固结压力条件下土样的渗透系数，同时也不能连续测定不同固结压力下土样渗透系数的不足，提高了固结压力下渗透系数的测量精度而且大大减少了测定不同固结压力条件下土样渗透性的试验次数，该参数精度的提高使相关问题的研究更贴近实际。

土力学的八大试验实验一土的含水率试验（一）、试验目的土的含水率指土在105—1100C下烘于恒量时所失去的水的质量和干土质量的百分比值。

土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率。

所以，试验的目的：测定土的含水率。

（二）、试验方法适用范围1、烘干法：室内试验的标准方法，一般粘性土都可以采用。

2、酒精燃烧法：适用于快速简易测定细粒土的含水率。

3、比重法：适用于砂类土。

（三）、烘干法试验1、仪器设备①烘箱：采用电热烘箱；②天平：称量200g,分度值0.01g；③其他：干燥器，称量盒。

2、操作步骤（1）取代表性试样，粘性土为15—30g,砂性土、有机质土为 50g,放入质量为m0的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g.（2）打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105——1100C的恒温下烘干。

烘干时间与土的类别及取土数量有关。

粘性土不得少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65——700C的恒温下烘至恒量。

（3）将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土加盒质量m2为，精确至0.01g。

3、计算含水率：按下式计算4、要求：（1）计算准确至0.1%；（2）本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。

含水率（%）小于1010—40大于400.5 1.0 2.0允许平行差值（%）5、本试验记录格式详见报告实验二土的密度试验（一）、试验目的测定土在天然状态下单位体积的质量。

（二）、试验方法与适用范围一般粘性土，宜采用环刀法易破碎，难以切削的土，可采用蜡封法对于砂土与砂砾土，可用现场的灌砂法或灌水法。

（三）、环刀法的试验1、仪器设备①符合规定要求的环刀；②精度为0.01g的天平；③其他：切土刀，凡士林等。

2、操作步骤（1）测出环刀的容积V，在天平上称环刀质量m1。

（2）取直径和高度略大于环刀的原状土样或制备土样。

土力学实验指导书土木工程2018年目录实验一土的含水量实验实验二土的容重和干密度实验<环刀法）实验三 A、液限、塑限实验<用光电式液塑限测定仪法）B、塑限实验<搓条法）实验四土的抗剪强度实验实验五土的固结实验实验六土的渗透实验实验一土的含水量实验一、目的本实验之目的在于测定土的含水量，借与其它实验配合计算土的干密度，孔隙比及饱和度等；并查表确定地基土的承载力。

b5E2RGbCAP二、解释含水量为土在105℃~110℃下烘至恒重时所失去水分的质量和到达恒值后干土质量的比值，用百分数表示<本实验方法适用于有机物的含量不超过干土质量的5%的土，如有机物含量在5~10%之间的土，仍采用本方法时，应在记录中注明）。

p1EanqFDPw三、仪器设备<1）有盖的称量盒数只；<2）天平、感量0.01克；<3）烘箱<温度105℃~110℃）；<4）有干燥剂<）干燥器。

四、操作步骤<1）选取具有代表性的土样15~20克<砂性土、有机质土为50克），放入称量盒内，盖好盒盖，称盒加湿土质量。

DXDiTa9E3d <2）打开盒盖、放入烘箱，在温度105℃~110℃下烘干至恒值,烘的时间一般为：对砂性土不得少于6小时,对粘性土不得少于8小时.RTCrpUDGiT<3）将烘好的试样同称量盒一并放入干燥器内，让其冷却至室温。

<4）从干燥器内取出试样，称盒加干土质量。

<5）本实验称量应准确至0.01克以上，同一实验进行两次平行测定，取其算术平均值。

<6）按下列公式计算含水量×100 %式中：——为含水量，用%；W1——称量盒加湿土质量，克；W2——称量盒加干土质量，克；W——称量盒质量，克。

本实验须进行2两次平行测定，其平行误差规定为：<1）当含水量小于40%时，允许平行误差1%；<2）当含水量等于或大于40%，允许平行误差2%。

2.1 土的渗透定律渗定律2.2 渗透系数及其测定22渗透系数及其测定2.3 渗透力与渗透变形土的渗透问题概述浸润线上游土坝蓄水后水透过下游坝身流向下游流线等势线H隧道开挖时，地下水向隧道内流动水在土孔隙通道中流动的现象叫做水的；土可以被水透过的性质水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；土可以被水透过的性质，称为土的渗透性或透水性。

212.1土的渗透定律一、土中渗流的总水头差和水力梯度、土中渗流的总水头差和水力梯度vw h h z h ++=伯努利方程v u AA2gz h w A 21++=γv2gu z h Bw BB 22++=γhh h Δ=−21h ΔLi =达定律二、达西定律1856年法国学者Darcy 对砂土的渗透性进行研究qv A=v=ki达西定律'v A ==vq vA'A v v v ==v A n三达西定律适用范围与起始水力坡降三、达西定律适用范围与起始水力坡降讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系v=ki v密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发0生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系i砂土v虚直线简化达西定律适用于层−=i b流，不适用于紊流i密实粘土)(b i i k v 起始水力坡降2.2 渗透系数及其测定一、渗透试验（室内）1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大）的土适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。

Athk kiAt qt 时间t内流出的水量LQ ===QL hAtk=2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差，渗透系数小的截面面积a任一时刻t 的水头差为h ，经时段后细玻璃管中水位降落粘性土dt 后，细玻璃管中水位降落dh ，在时段dt 内流经试样的水量=－dQ adh在时段dt 内流经试样的水量dQ =kiAdt =kAh/Ldt1h aL＝管内减少水量＝流经试样水量()212lnh t t A k −dh 积－adh=kAh/Ldt分离变量dtaL kA h=−分二、渗透试验（原位）在现场打口试验井并安装z 在现场打一口试验井，并安装好抽水机具z 距井中心r 1、r 2处打两个观测水位的观测孔z 在井内不断抽水，并观测另两个观测孔的水位高度h 1、h 2，同时记录单位时间内的排水量2r )()ln(21221h h r q k −=π假定z 水沿水平方向流向抽水孔rh A π2=z 过水断面积上各点i 相等drdh i =dhdrdrrhkrhv Av q ππ22===khdh r q π2=22dr h r =)(ln 22122211h h k r q hdh k r q h r −=∫∫ππ1r 2ln r q ⎟⎟⎞⎜⎜⎛()21221h h r k −⎠⎝=π三影响渗透系数的因数三、影响渗透系数的因数z 土颗粒的粒径、级配和矿物成分z 土的孔隙比或孔隙率z 土的结构和构造z 土的饱和度z 水的动力粘滞度动力粘滞系数随水温发生明显的变化。

水泥土渗透系数试验记录实验目的：测定水泥土的渗透系数，以评估其渗透性能。

实验仪器和材料：1. 水泥土试样（规格为10cm × 10cm × 10cm）2.水桶3.水泵4.水位计5.计时器6.温度计7.表面积计算器8.数据记录表实验步骤：1. 制备水泥土试样：将适量水泥和水搅拌均匀，待其凝结成坚实的土体。

然后将土体切成规格为10cm × 10cm × 10cm的试样。

2.准备水桶：将水桶中注满水，并在水桶底部安放水泵，以保持试验过程中的恒定水位。

3.浸泡试样：将水泥土试样放置于水桶中，让其浸泡在水中20分钟以去除试样的孔隙空气。

4.实验开始：从浸泡完毕后的试样上表面测量初始水位，并记录下来。

然后启动水泵。

5.实验过程中，利用计时器测量时间，并测量试样上表面水位的变化。

每隔10分钟记录一次水位变化，一共记录6次。

6.实验结束：在最后一次记录完毕后，关闭水泵，记录试验结束时的水位，并停止计时器。

实验数据记录表：实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）温度（℃）01501015120151.53015240152.55015360153.5数据处理和结果分析：1.计算水位变化速率：根据水位变化的数据计算每10分钟的速率（水位变化值除以10）。

将速率记录在数据表中。

实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）速率（cm/min）温度（℃）0150101510.120151.50.15301520.240152.50.25501530.360153.50.352. 计算渗透系数：根据Darcy定律，渗透系数（K）可以通过下式计算得到：K=(Q*L)/(A*t*∆h)其中，Q表示流量，L表示试样厚度，A表示试样横截面积，t表示时间，∆h表示水位变化值。

假设试样厚度为10cm，横截面积为100cm²。

实验时间（分钟）初始水位（cm）水位变化（cm）速率（cm/min）温度（℃）0150101510.120151.50.15301520.240152.50.25501530.360153.50.35根据上述数据计算得到的渗透系数如下：K=(Q*L)/(A*t*∆h)=(0.1*10)/(100*10*1)=0.001结论：根据本次实验的结果分析，水泥土的渗透系数为0.001、这个结果表明水泥土的渗透性较低，即水泥土对水的渗透能力较差，水分难以通过其孔隙系统迅速传递。

教学内容设计及安排第一节达西定律【基本内容】渗透——在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。

渗透性——土具有被水透过的性能。

一、达西定律v =ki =k Lh或用渗流量表示为q =vA =kiA式中 v ――渗透速度，cm/s 或m/d ；q ――渗流量，cm 3/s 或m 3/d ；i =h /L ――水力坡降（水力梯度），即沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次； h ――试样两端的水头差，cm 或m ； L ――渗径长度；cm 或m ；k ――渗透系数，cm/s 或m/d ；其物理意义是当水力梯度i 等于1时的渗透速度； A ――试样截面积，cm 2或m 2。

【注意】由上式求出的v 是一种假想的平均流速，假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的。

水在土体中的实际平均流速要比达西定律采用的假想平均流速大。

二、达西定律的适用范围与起始水力坡降对于密实的粘土：由于结合水具有较大的粘滞阻力，只有当水力梯度达到某一数值，克服了结合水的粘滞阻力后才能发生渗透。

起始水力梯度――使粘性土开始发生渗透时的水力坡降。

(a ) 砂土 (b ) 密实粘土 (c )砾石、卵石粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律而呈非线性关系，如图（b ）中的实线所示，常用虚直线来描述密实粘土的渗透规律。

()b i i k v -= (2-3)式中 i b ――密实粘土的起始水力坡降；对于粗粒土中（如砾、卵石等）：在较小的i 下，v 与i 才呈线性关系，当渗透速度超过临界流速v cr 时，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，如图（c ）所示，此时，达西定律不能适用。

第二节 渗透系数及其确定方法【基本内容】一、渗透试验1．常水头试验常水头试验适用于透水性大（k >10-3cm/s ）的土，例如砂土。

常水头试验就是在整个试验过程中，水头保持不变。

试验时测出某时间间隔t 内流过试样的总水量V ，根据达西定律At LhkkiAt qt V === 即 hAtVL k =2．变水头试验粘性土由于渗透系数很小，流经试样的总水量也很小，不易准确测定。

粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨渗透试验是土力学实验中常用的试验方法之一，它用于研究土壤在水力作用下的渗透特性。

而对于粗粒土，其颗粒大小较大，渗透特性与细粒土有明显区别。

因此，针对粗粒土的渗透试验需要缩小试验尺度，以避免试验过程中颗粒间的重力损失影响各项渗透参数的精确测定。

本文就粗粒土渗透试验缩尺原则与方法进行探讨。

一、缩尺原则对于细粒土而言，由于颗粒间距较小，渗透试验可以采取相对较大的试验尺度。

而粗粒土则因颗粒较大，渗透孔径较小，容易使颗粒在孔道内移动，进而影响渗透特性的准确测定。

因此，对于粗粒土的渗透试验应视颗粒大小及粗细系数的不同，考虑采用适当的缩尺原则。

1.缩后深度缩尺试验时，缩小的尺度应当是线性尺度。

由于渗透试验涉及到孔隙水压的分布，因此渗透试验的缩小尺度需要考虑到孔间距离与孔径的比例。

我们可以通过 Klinkenberg 与 Kozeny 等关系式来计算孔径和孔间距离与粗细系数的比值。

孔径和孔间距离的比例越大，试验上运用的缩尺系数就应越小。

2.缩尺系数缩尺系数实质是一种比例关系，是指需要缩小尺度时，缩小前与缩小后的比值。

缩尺系数可以由几个因素来决定，如颗粒大小、颗粒形状和孔径大小等。

缩尺系数的确定需要通过试验、数据模拟来进行。

一般来讲，当颗粒大小和颗粒形状相似时，可以直接采用下列公式计算缩尺系数：λ = (D0 / D)²其中，D0 为原尺度试验时使用的直径，D 为缩后直径。

3.渗透速度计算缩尺后的试验数据需要还原到原有的尺度。

为了求得原有尺度下测量的渗透系数，需要用缩尺试验数据进行计算。

测定粗粒土的渗透速度时，可以通过Darcy公式来计算。

可根据下列公式计算原有尺度下渗透系数：kr （原始尺度下）= krK/λ²其中，krK 是缩尺试验的渗透系数，λ 是缩尺系数。

另外，如果试验数据足够充分，也可利用缩尺试验数据来得到原有尺度下的渗透系数。

1、如图4-12所示渗透试验装置，水平的圆形截面容器内装有砂土和黏土两种土样，它们的长度分别为12,L L ，如A 、B 两容器水面保持不变，水自左向右渗透土试样，总水头损失为h ∆，渗流过黏土与砂土的水头损失分别为12,h h ∆∆。

若水流经黏土和砂土的渗透系数分别为12,k k ，则12k k 等于多少？（答案：2112
h L h L ∆∆） 图4-12
2、如图4-7所示，土样的孔隙比是0.75，颗粒比重为2.68。

求渗透的水力梯度达到临界值时的总水头差。

（答案：24cm ）
3、某地基土层剖面如图所示，已知承压水头h=6m ，试求基坑开挖的最大深度H 而不发生流土。

（答案：6.82m ）
4、某常水头渗透试验装置如图所示，土样Ⅰ的渗透系数s cm k /2.01=，土样Ⅱ的渗透系数s cm k /1.02=，土样横截面积2200cm A =。

如果保持图中水位恒定，则该试验的流量应保持为下列哪个选项？
A ．s cm /0.103
B ．s cm /1.113
C ．s cm /3.133
D ．s cm /0.153
分析：虽然两个土样的渗透系数不一样，但流过两个土样的渗流流量应相等。

这个判断是关键，由此建立方程。

（答案：C ）。