柔壁滲透儀與變水頭滲透儀對比試驗及其性能測試

靖向黨，張佳興，彭 第，鄭國勛，于 波（.長春工程學院勘查與測繪工程學院，吉林長春 300；.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 60059）

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柔壁滲透儀與變水頭滲透儀對比試驗及其性能測試

靖向黨1，張佳興2，彭 第1，鄭國勛1，于 波1
（1.長春工程學院勘查與測繪工程學院，吉林長春 130021；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 610059）

摘要：為了測試柔壁滲透儀的可靠性及其性能，采用水泥土樣和普通土樣與常用的變水頭滲透儀進行了對比測試，并進行了柔壁滲透儀不同滲透壓、不同試樣高度和直徑的對比測試。試驗結果表明：柔壁滲透儀測試結果準確、性能可靠，柔性壁密閉性好，對制樣要求不高，試樣高度和直徑可在一定范圍內(nèi)選擇；可采用高滲透壓快速完成滲透系數(shù)測試；儀器可用于測試滲透系數(shù)小于1× 10-5cm/ s的水泥土樣、水泥漿樣和塑性混凝土樣，以及滲透系數(shù)小于1×10-6cm/ s的硬土樣測試。

關鍵詞：柔壁滲透儀；變水頭滲透儀；滲透系數(shù)；土工試驗

水泥土、塑性混凝土或水泥漿廣泛應用于水利工程、城市建筑基坑工程、垃圾填埋場工程等工程的防滲處理中，但到目前為止，國家仍未出臺測試其滲透性能的方法和技術標準，也沒有與之配套的測試儀器[1]，防滲漿材結石體或固結體（鉆孔取樣）的滲透系數(shù)的測定仍采用土工試驗的方法和儀器。

目前國內(nèi)土工試驗滲透系數(shù)測定主要采用常水頭和變水頭滲透儀。常水頭滲透儀一般用于測試滲透系數(shù)較大的無黏性土，而變水頭滲透儀（如南-55型）用于測試滲透系數(shù)大于1×10-7cm/ s的黏性土，也用于測試防滲工程固結體（鉆孔取樣）的滲透系數(shù)。但變水頭滲透儀制樣對測試結果影響較大，且存在環(huán)刀剛性側(cè)壁易產(chǎn)生側(cè)壁滲漏、對制樣要求高、防滲工程試樣蠟封難、測試時間長等問題[2-5]，也不能進行垃圾滲瀝液等污水的滲濾試驗[6-7]。為解決上述問題，靖向黨等[8]開發(fā)了柔壁滲透儀[9-11]，并用于北京市某地鐵站等3個基坑圍護工程防滲墻防滲效果檢測，測得的滲透系數(shù)介于10-8～10-6cm/ s之間[12]，解決了防滲固結體難以測試的問題；也利用柔壁滲透儀進行了垃圾滲瀝液、重金屬離子溶液和有機污染物溶液在漿材結石體中的滲濾試驗[13]。

本文對柔壁滲透儀與變水頭滲透儀進行對比試驗，并進行了柔壁滲透儀不同滲透壓、不同試樣高度與直徑的對比試驗研究，以研究柔壁滲透儀解決變水頭滲透儀測試存在問題的效果。

1 柔壁滲透儀組成、原理及特點

1. 1 柔壁滲透儀基本組成與測試原理

柔壁滲透儀采用自有專利技術[9-11]開發(fā)，實現(xiàn)了二維或三維應力狀態(tài)下測試、試樣規(guī)格可選、氣水隔離增加滲透壓及自動化數(shù)字化測試。儀器主要由滲透試驗裝置、氣水隔離供液裝置、控制箱和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成[14]，如圖1所示，其中滲透試驗裝置由壓力腔、測試單元（試樣頂?shù)鬃?、透水石、試樣等）、柔性膠膜、可滑動支撐盤和支撐桿、滲出液導出管、圍壓輸入管、滲透液輸入管等組成。試樣頂座可沿頂座支撐桿上下滑動，以適應不同高度的試樣，一般為40～160 mm。

圖1 柔壁滲透儀組成

測試時，柔性膠膜在氣壓或水壓作用下包裹住試樣形成柔性密封側(cè)壁，滲透液在氣壓作用下由氣水隔離供液裝置通過控制箱進入滲透試驗裝置的試樣底座與透水石，滲透液經(jīng)由試樣滲透，通過透水石和頂座流入控制箱的滲出液收集管完成滲透過程。由于滲透壓通過氣壓施加且保持恒定，而出水水頭在滲出液收集管內(nèi)有所增加，故當有液體滲出后開始計時，并量測滲出液的體積、滲透壓與滲出液水頭的壓差。根據(jù)GB/ T50123—1999《土工試驗方法標準》[15]和SL237—1999《土工試驗規(guī)程》[16]，試樣的滲透系數(shù)為式中：KT為某一溫度時的滲透系數(shù)，cm/ s；K20為20℃時試樣的滲透系數(shù)，cm/ s；Q為時間t內(nèi)的滲出水量，mL；L為試樣高度，cm；A為試樣斷面積，cm2；ΔP為滲透壓與滲出液水頭的壓差，kPa；t為滲透時間，s；ηT/η20為水的黏滯系數(shù)比。

1. 2 柔壁滲透儀的特點

a.采用橡膠膜作為試樣側(cè)壁，施加圍壓密封，解決了漿材結石體環(huán)刀制樣和防滲工程鉆孔取樣在環(huán)刀中蠟封的難題，避免了側(cè)壁滲漏，提高了測試精度。

b.采用氣水隔離供液裝置通過氣壓方式增加滲透壓，不但可在較大范圍內(nèi)選擇并提高滲透壓力，解決防滲漿材結石體或灌漿固結體等低滲透系數(shù)材料滲透系數(shù)快速測試問題，提高了測試效率，而且很好地解決了使用壓縮空氣直接推動滲透液導致氣體溶入滲透液影響測試精度的問題。

c.試樣高度在40～160 mm范圍可任選，試樣直徑有62 mm、70 mm、101 mm 3種規(guī)格可選，并可根據(jù)工程需要模擬場地應力條件進行滲透試驗。

d.采用自動化數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可減小測量讀數(shù)等人為影響，提高測量精度，實現(xiàn)無人值守條件下的測試。

2 與變水頭滲透儀對比試驗

為了驗證柔壁滲透儀測試數(shù)據(jù)的準確性、有效性和可靠性，采用水泥土樣和普通土樣進行了柔壁滲透儀和南-55型變水頭滲透儀的對比測試。

2. 1 水泥土樣的對比測試

分別采用由粉質(zhì)黏土、水泥、粉煤灰等組成的SCF漿材[17]，由粉質(zhì)黏土與水泥組成的SC漿材及純水泥漿材配制試樣，每組3個試樣，養(yǎng)護一定時間后進行對比測試，每個試樣測試3～5個數(shù)據(jù)求其平均值。柔壁滲透儀測試試樣規(guī)格為直徑6. 3 cm、高4. 0 cm，滲透壓采用20 kPa；南-55型變水頭滲透儀測試水頭范圍為200～185 cm，測試結果見表1。

由表1可知，不同漿材試樣測試結果的最大絕對誤差為0. 77×10-5cm/ s，遠小于GB/ T 50123—1999《土工試驗方法標準》和SL237—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定的小于2×10-ncm/ s，所以柔壁滲透儀用于水泥土樣、水泥樣的滲透性能的測試是可行的，且精度較高，滿足規(guī)范要求。C-1號水泥試樣因滲透系數(shù)小，南-55型變水頭滲透儀無法測出其滲透系數(shù)，通過加大柔壁滲透儀的滲透水頭，完成了該試樣滲透系數(shù)的測試。

表1 兩種滲透儀測試水泥土樣滲透系數(shù)對比試驗

2. 2 普通土樣的對比測試

利用當?shù)胤圪|(zhì)黏土，采用擊實的方式制備了密度為1. 8 g/ cm3、1. 9 g/ cm3、2. 0 g/ cm33組試樣進行對比測試，每組3個樣。為了保證對比測試試樣的一致性，首先利用南-55型變水頭滲透儀測試，然后將環(huán)刀中試樣退出再進行柔壁滲透儀測試，每個試樣測試3～5個數(shù)據(jù)求其平均值。柔壁滲透儀滲透壓為20 kPa，圍壓施加范圍為35～45 kPa，測試結果見表2。

由表2可知，3種不同密度普通土樣測試結果最大絕對誤差為0. 78×10-7cm/ s，符合GB/ T 50123—1999《土工試驗方法標準》的規(guī)定，所以柔壁滲透儀可以用于黏性土樣滲透性能的測試。

2. 3 對比測試結果分析

通過上述不同試樣的對比測試可知，柔壁滲透儀用于測試滲透系數(shù)小于1×10-5cm/ s的水泥土樣以及滲透系數(shù)小于1×10-6cm/ s的硬土樣，其測試結果與目前土工試驗常用的南-55型變水頭滲透儀相比，絕對誤差均遠小于土工試驗標準的規(guī)定，所以柔壁滲透儀測試結果是有效、準確和可信的。此外，柔壁滲透儀測試結果一般小于南-55型變水頭滲透儀測試結果，說明南-55型變水頭滲透儀存在側(cè)壁滲漏等問題；而對于滲透系數(shù)小于1×10-8cm/ s的試樣，南-55型變水頭滲透儀無法測定，采用柔壁滲透儀提高滲透壓可方便快速測出，具有更寬的滲透系數(shù)測試范圍。

3 柔壁滲透儀的性能測試

3. 1 滲透壓對滲透系數(shù)的影響

為了驗證滲透壓對滲透系數(shù)的影響，采用SCF漿材、SC漿材和純水泥漿3種漿材，配制4種試樣，每組3個試樣，分別養(yǎng)護若干天后在不同滲透壓下測定其滲透系數(shù)，每個試樣測試3～5個數(shù)據(jù)求其平均值，測試結果見表3。

由表3可知，滲透壓對不同漿材結石體的滲透系數(shù)影響較小，所測試的3種漿材試樣中，最大誤差為0. 85×10-7cm/ s，符合土工試驗標準的規(guī)定。所以，根據(jù)漿材結石體滲透系數(shù)的大小，為了提高測試效率，采用高滲透壓進行滲透系數(shù)測定是可行的、有效的。

3. 2 試樣高度對滲透系數(shù)的影響

為確定試樣高度對滲透系數(shù)的影響，采用SCF漿材和水泥漿制作了4 cm、7 cm、10 cm、13 cm和16 cm 5種不同高度試樣，每組3個試樣，養(yǎng)護若干天后進行滲透系數(shù)測試，每個試樣測試3～5個數(shù)據(jù)求其平均值，測試結果見表4。

由表4可知，同一種材料制作不同高度的試樣，在一定滲透壓力下測得的滲透系數(shù)基本相同，其最大絕對誤差值為0. 75×10-6cm/ s，符合土工試驗標準的規(guī)定。因此，使用該儀器測定滲透系數(shù)時可不受試樣高度限制，在柔壁滲透儀允許的40～160 mm范圍內(nèi)可任選，這對于防滲工程鉆孔取樣試驗非常重要。

表2 兩種滲透儀測試普通土樣滲透系數(shù)對比試驗

3. 3 試樣直徑對滲透系數(shù)的影響

為驗證試樣的滲透系數(shù)與其直徑的關系，采用SCF漿材制備了直徑6. 3 cm和10. 3 cm兩種試樣，養(yǎng)護一定時間后在不同滲透壓下進行了滲透系數(shù)測試，測試結果見表5。

表5 不同直徑試樣滲透系數(shù)測試結果

由表5可知，兩種不同直徑的試樣，在不同滲透壓下測得的滲透系數(shù)基本相同，其最大絕對誤差值為0. 66×10-6cm/ s，符合土工試驗標準的規(guī)定?？梢?，使用該儀器測定滲透系數(shù)可不受試樣直徑限制，可在柔壁滲透儀允許范圍內(nèi)選擇適合直徑的試樣進行試驗，充分體現(xiàn)了靈活性。

3. 4 測試效率試驗

通過上述對比試驗結果可知，滲透壓和試樣尺寸對滲透系數(shù)的影響均在土工試驗標準規(guī)定的范圍內(nèi)，所以可以選擇適當?shù)脑嚇映叽绾蜐B透壓進行滲透系數(shù)測試。根據(jù)式（1），有：

當試樣尺寸確定后，試樣的滲透系數(shù)應該是常數(shù)，所以滲透時間與滲透壓力成反比，即提高滲透壓測試時間應隨之縮短。為此，采用SCF漿材和純水泥漿制作了一批試樣，養(yǎng)護若干天后在不同滲透壓下進行滲透系數(shù)測試，每滲出1 mL測1個讀數(shù)，每個試樣測5個讀數(shù)求其平均值作為該試樣的滲透系數(shù)（純水泥漿試樣只測了1個讀數(shù)）。每個試樣在不同滲透壓下測試消耗的時間見表6。

表6 不同滲透系數(shù)試樣在不同滲透壓下測試消耗時間

由表6可知，對同一試樣來說，測試滲透系數(shù)消耗時間隨著滲透壓的增加而減少，特別是對于滲透系數(shù)為10-8、10-9數(shù)量級的低滲透系數(shù)試樣，測試消耗時間減少得更明顯，例如SC-3試樣在50kPa滲透壓下測試時間需19. 67 h，滲透壓提高到300 kPa后，時間縮短到4. 05h，測試時間縮短近80%。可見，在高滲透壓下可以準確、快速地完成低滲透系數(shù)試樣的測試，可減少測試時間，提高測試效率，且能保證滲透系數(shù)的準確性和有效性。

4 結 論

a.柔壁滲透儀用于測試滲透系數(shù)小于1× 10-5cm/ s的水泥土樣以及滲透系數(shù)小于1×10-6cm/ s的硬土樣，其測試誤差均符合GB/ T 50123—1999《土工試驗方法標準》和SL237—1999《土工試驗規(guī)程》的規(guī)定，柔壁滲透儀測試結果是準確和有效的，測試精度高于南-55型變水頭滲透儀。

b.滲透壓、試樣高度與直徑對柔壁滲透儀測試滲透系數(shù)影響甚微，使用柔壁滲透儀可以在適當范圍內(nèi)選擇試樣尺寸，并根據(jù)試樣滲透系數(shù)選擇較高的滲透壓以快速完成滲透系數(shù)測試，提高測試效率。

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Performance test of flexible-wall permeameter and comparison with falling-head permeameter/ /

JING Xiangdang1，ZHANG Jiaxing2，PENG Di1，ZHENG Guoxun1，YU Bo1（1. School of Prospecting and Surveying Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130021，China；2. College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：In order to test the reliability and performance of a flexible-wall permeameter（FWP），comparative tests of a FWP and a falling-head permeameter were conducted with cement-soil samples，cement slurry samples，and soil samples，and comparative tests of different seepage pressures and sample heights and diameters were conducted for the FWP. The test results show that the FWP can provide accurate results，a reliable performance，and airproofed flexible walls，and it does not have strict requirements for sample preparation，which enable us to freely select the height and diameter of samples within a certain range. Permeability test with the FWP can be quickly finished using high-seepage pressures. The FWP can be used to test cement-soil，cement slurry，and plastic concrete samples with permeability coefficients less than 1×10-5cm/ s and hard soil samples with permeability coefficients less than 1×10-6cm/ s.

Key words：flexible wall permeameter；variable head permeameter；permeability coefficient；soil test

收稿日期：（2014 09 22 編輯：熊水斌）

作者簡介：靖向黨（1957—），男，教授，主要從事巖土注漿工藝與漿材研究。E-mail：jxd57@126. com

基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（2013-310）

中圖分類號：TU415

文獻標志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0077 05