滲壓儀測定黏性土多參數(shù)的方法

趙玉紅，王福剛，高振凱，苑藝琳

(1.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué) 地下能源與廢物處置研究所，吉林 長春 130021)

滲壓儀[1]是用于測定黏土、亞黏土等滲透系數(shù)的儀器,滲壓儀一般用于測定黏性土的垂向滲透系數(shù)KV與水平向滲透系數(shù)KH、垂向固結(jié)系數(shù)CV與水平向固結(jié)系數(shù)CH及土樣的壓縮性指標(biāo)。本研究拓展了滲壓儀測定黏性土多參數(shù)測定功能，使?jié)B壓儀在具備測定黏性土固結(jié)系數(shù)等常規(guī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，也可以測定黏性土的不同物理狀態(tài)的水理性質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)，大大提高了滲壓儀的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和實(shí)驗(yàn)功能，同時(shí)豐富了開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目及科學(xué)研究創(chuàng)造了良好的實(shí)驗(yàn)條件。

1 滲壓儀的工作原理

由于土體在地下不同深度處的壓密程度是不同的，當(dāng)試樣從地下取至地面后，在有側(cè)限的取樣器中，由于上覆土層自重壓力的解除，試樣體積將會(huì)發(fā)生縱向膨脹，使土體孔隙加大，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。為了恢復(fù)土樣的天然狀態(tài)，滲壓儀采用純氣壓加荷系統(tǒng)，由空壓機(jī)通過壓力控制器(調(diào)壓閥)向試樣施加固結(jié)壓力，壓力的大小由精密壓力表監(jiān)控，固結(jié)過程由百分表監(jiān)測土樣的變形量，待固結(jié)穩(wěn)定后(百分表一小時(shí)內(nèi)讀數(shù)變化≤0.005 mm)，再進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，得到天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)。滲壓儀的滲壓系統(tǒng)可造成一個(gè)水頭差，使水在土樣中呈層流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以通過施加滲透壓力(不能超過固結(jié)壓力)加快滲透速度。

2 測定黏性土的多參數(shù)

2.1 常規(guī)測定的參數(shù)

2.1.1 垂直向滲透系數(shù)與水平向滲透系數(shù)的測定

測滲透系數(shù)[2]時(shí)的固結(jié)壓力的大小不僅與黏性土密度的大小有關(guān)，而且與黏性土埋在地下的深度有關(guān)。滲壓儀可以將飽和后的黏性土，在同一容器內(nèi)對土樣施加垂向固結(jié)壓力壓縮后再施加滲透壓力，在一定固結(jié)壓力范圍內(nèi)進(jìn)行黏性土的垂直向滲透系數(shù)KV的測定。水平滲透系數(shù)KH的測定方法，只需橫向取土樣，再按上述方法測定。

2.1.2 垂直向固結(jié)系數(shù)與水平向固結(jié)系數(shù)的測定

垂直向固結(jié)系數(shù)CV是太沙基(Terzaghi)一維理論中的一個(gè)重要參數(shù)[3-4]，是在指定的某級荷重下或各級荷重下的時(shí)間與土的變形量的關(guān)系，繪制S(變形)-t(時(shí)間 )關(guān)系曲線[5]，從而計(jì)算土樣在某一級固結(jié)壓力下的垂向固結(jié)系數(shù)。

對于具有層理構(gòu)造的黏砂土互層的土層，其各向異性性質(zhì)比較明顯，水平向固結(jié)系數(shù)與垂向固結(jié)系數(shù)有很大不同。水平向固結(jié)系數(shù)CH的測定，采用水平取樣的方式實(shí)現(xiàn)[6]。

2.1.3 常規(guī)的壓縮性指標(biāo)的測定

壓縮性指標(biāo)是指土壤在一定的附加壓力作用下產(chǎn)生的形變量[7]，滲壓儀能測定黏性土在一定壓力范圍內(nèi)的孔隙比e與壓力p的關(guān)系，從而可計(jì)算出土的壓縮系數(shù)a、壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Ce、次固結(jié)指數(shù)Ca及淺層地基土的前期固結(jié)壓力pc等壓縮性指標(biāo)。

2.2 儀器測試功能的拓展和開發(fā)

2.2.1 釋水系數(shù)與貯水系數(shù)的測定

貯水系數(shù)/釋水系數(shù)[8]是當(dāng)含水層水頭變化一個(gè)單位時(shí)，單位面積含水層柱體由于水體壓縮(膨脹)和介質(zhì)骨架(包括孔隙)膨脹(壓縮)而儲(chǔ)存(釋出)的水量。在常規(guī)的水壓力變化范圍，水的壓縮性(膨脹性)和介質(zhì)骨架(不包括孔隙)本身的壓縮性可以忽略。因此，在常規(guī)水壓力變化條件下，貯水系數(shù)在數(shù)值上近似等于柱體壓縮變形量。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 制取飽和試樣。因含水層的壓縮、回彈是在飽和條件下進(jìn)行的。所以要將用環(huán)刀取好的黏性土的頂、底面貼上濾紙，放在兩塊透水石中間，用飽和架夾緊，放到飽和器中進(jìn)行真空飽和(抽真空1～2 h，飽水12 h)。使其接近含水層的天然飽和度。

(2) 施加固結(jié)壓力。當(dāng)黏性土從含水層某一深度取到地面后，上覆土體的自重壓力會(huì)立即解除，在有側(cè)限的取樣器中，只能發(fā)生縱向膨脹。為了恢復(fù)黏性土的天然狀態(tài)，需向黏性土施加固結(jié)壓力，施加壓力大小等于黏性土在原來深度上的上覆土層自重壓力，待固結(jié)穩(wěn)定后，即認(rèn)為試樣恢復(fù)了天然狀態(tài)。

(3) 釋水(貯水)。承壓水頭和潛水位的變化，是引起含水層壓縮釋水或回彈貯水的主要因素。根據(jù)水位動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)壓縮釋水與回彈貯水試驗(yàn)的逐級荷載，待固結(jié)穩(wěn)定后，測定的壓縮量和回彈量即相當(dāng)于釋水量和貯水量。

(4) 計(jì)算公式。 當(dāng)固結(jié)壓力由p1增加到p2時(shí)，釋水系數(shù)μs為

當(dāng)自重壓力由p3減小到p4時(shí)，貯水系數(shù)為

2.2.2 不同壓力條件下黏性土滲透系數(shù)測定

將飽和后的試樣裝入滲壓容器內(nèi)，由小到大逐級向試樣施加壓力，當(dāng)每級固結(jié)壓力穩(wěn)定后(百分表1 h內(nèi)讀數(shù)變化≤0.005 mm)再進(jìn)行滲透，即可求出每級固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)。以此類推，即可求出不同壓力條件下的滲透系數(shù)[9-11]。

2.2.3 不同壓力條件下含水量的測定

將飽和試樣去掉上下濾紙后稱量，再裝入滲壓容器內(nèi)，由小到大逐級向試樣施加壓力，當(dāng)每級固結(jié)壓力穩(wěn)定后(百分表1 h內(nèi)讀數(shù)變化≤0.005 mm)，取出試樣，去掉濾紙?jiān)俜Q量，以此類推，即可求出不同壓力條件下的含水量[12]。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 石家莊地區(qū)地層剖面滲透系數(shù)測定

野外抽水實(shí)驗(yàn)雖然是獲取天然狀態(tài)下含水層滲透系數(shù)的有效方法，但耗費(fèi)的人力和財(cái)力大。如果能夠采用類比的原理，根據(jù)相應(yīng)地層的剖面屬性特征，在室內(nèi)采用相同屬性和質(zhì)地的土樣，恢復(fù)其原位天然環(huán)境的應(yīng)力條件和滲流條件，測定其滲透系數(shù)，不但解決了原位取樣工作的困難，也節(jié)省了人力資源和經(jīng)費(fèi)，同時(shí)也提高了工作效率。

按巖性選取相應(yīng)土樣，按所在深度加固結(jié)壓力，并依相應(yīng)步驟測出該深度上的滲透系數(shù)。以此類推，可以測出不同巖性土不同深度的滲透系數(shù)，依此可得到地層剖面的全部滲透系數(shù)[11-15]。

表1為石家莊地區(qū)地層相應(yīng)參數(shù)測試成果。石家莊地區(qū)半承壓含水層的上覆亞黏土厚度為20 m,含水層砂礫石厚度為60 m，下伏隔水層亞黏土厚25 m。每層分別取樣，將3種飽和后的試樣裝入滲壓容器內(nèi)，分別按深度由小到大逐級向試樣施加壓力(模擬地層不同深度)，當(dāng)每級固結(jié)壓力穩(wěn)定后，進(jìn)行滲透，求出每級固結(jié)壓力下(地層不同深度)的滲透系數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)測試結(jié)果見圖1。由圖1可見，固結(jié)壓力與滲透系數(shù)成反比關(guān)系，隨著壓力加大，滲透系數(shù)變小。不同巖性變化參數(shù)間相互關(guān)系不同。

表1 石家莊地區(qū)不同巖性、不同深度滲透系數(shù)

圖1 固結(jié)壓力與滲透系數(shù)關(guān)系

3.2 不同固結(jié)壓力下含水量的變化

將飽和后的試樣稱量后放在滲壓容器里，由小到大逐級加壓，每加一級壓力，待固結(jié)穩(wěn)定后，將試樣取出稱量。以此類推，可測出試樣不同固結(jié)壓力與含水量ω變化關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 不同固結(jié)壓力與含水量關(guān)系

從圖2可看出，隨著壓力加大，3種巖性土的含水量逐漸變小，且3種巖性的比例系數(shù)是不同的。

3.3 不同黏性土的溶質(zhì)運(yùn)移變化規(guī)律研究

用滲壓儀進(jìn)行弱透水層飽和黏性土滲透和溶濾實(shí)驗(yàn)，可了解污染質(zhì)在弱透水層中的運(yùn)移及濃度變化規(guī)律。將污染質(zhì)溶液銨根離子、鈣離子、鉻離子、氯離子、硝酸根離子和硫酸根離子，分別配制成(10、50、100、200 mg/L)4個(gè)不同質(zhì)量濃度作為滲透溶液，對3種巖性黏性土進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，分別測試滲出的溶液質(zhì)量濃度變化，研究不同黏性土中污染物運(yùn)移變化規(guī)律。測試結(jié)果見表2。由表2可見，3種黏性土6種不同質(zhì)量濃度溶質(zhì)滲透的質(zhì)量濃度變化是不同的。各離子質(zhì)量濃度都是由大變小，但其變化速度不同。銨根離子、鈣離子、絡(luò)離子、氯離子的質(zhì)量濃度變化規(guī)律大致相同，而硝酸根離子的質(zhì)量濃度變化較小，硫酸根離子的質(zhì)量濃度變化較大。由此可看出，用滲壓儀測定黏性土不同質(zhì)量濃度的滲透是可行的，解決了普通儀器滲透時(shí)間長、測試?yán)щy的問題。

表2 不同離子滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mg·L-1

表2(續(xù)) mg·L-1

4 結(jié)論

在原來的滲壓儀測試功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)拓展了其新的測試實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)了滲壓儀不僅可以用于測定黏性土的滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等，而且還可以在實(shí)際生產(chǎn)中測定黏性土的釋水系數(shù)與貯水系數(shù)，以及黏性土在不同壓力條件下的滲透系數(shù)和含水量。同時(shí)還可以用于進(jìn)行弱透水層(黏性土)中溶質(zhì)(污染質(zhì))運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)了在不增加資金投入的情況下，儀器使用效益最大化。

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