孔隙水鹽分置換固結(jié)裝置的改造研制

張 彥 梁驍睿

（天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院 300384）

孔隙水鹽分置換固結(jié)裝置的改造研制

張 彥 梁驍睿

（天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院 300384）

海相軟土沉積過程中孔隙水鹽分較高，而隨著地表或地下淡水的沖蝕，孔隙水鹽分發(fā)生溶脫，土的物理力學(xué)特性發(fā)生會(huì)改變，但是目前研究較少。本文針對(duì)此問題，自行設(shè)計(jì)了換鹽固結(jié)裝置，使其具有以下功能和優(yōu)點(diǎn)：儀器的密封性能好，可以收集土樣孔隙水置換過程中排出的孔隙水， 漏水量??；通過三通閥可以控制排水條件，既可以進(jìn)行單面排水試驗(yàn)，并在底部量測(cè)孔隙水壓力的消散規(guī)律，也可以進(jìn)行雙面排水試驗(yàn)；可以同時(shí)進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)，研究相關(guān)規(guī)律。

孔隙水鹽分置換；固結(jié)特性；換鹽固結(jié)裝置

1.引言

目前關(guān)于濱海新區(qū)原狀軟黏土研究大多數(shù)沒有考慮地下水鹽分變遷對(duì)于土體工程性質(zhì)的影響，少部分考慮孔隙水影響的多集中采用人工制備重塑土的測(cè)試方法，制樣多采用烘干后的素土，根據(jù)需要的濃度配置不同比例的鹽溶液，制成所需要的重塑土試樣。此類試驗(yàn)中將鹽分調(diào)配和固結(jié)試驗(yàn)分開進(jìn)行，土中鹽水濃度提前配置，無需考慮孔隙水鹽分置換的問題。重塑過程中土體壓縮特性等方面本就受到擾動(dòng)，對(duì)研究結(jié)果有所影響，而展開針對(duì)原狀軟土工程特性的研究，又面臨如何制樣及測(cè)試試驗(yàn)過程中盡量減小擾動(dòng)的問題，這就需要在試驗(yàn)中既考慮到孔隙水鹽分置換，又要確保試樣在進(jìn)行孔隙水鹽分溶脫后可以直接進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，以免對(duì)土樣進(jìn)行二次擾動(dòng)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差?；诖?，筆者在前人基礎(chǔ)上開發(fā)研制孔隙水鹽分置換固結(jié)裝置。

2.研制思路

2.1 擬改造試驗(yàn)裝置的基本要求

傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)需要提前制備好試樣，一般試樣尺寸高20mm，直徑61.8mm，采用環(huán)刀取樣法即可取得原狀試樣。一般來說，傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)可以完美的測(cè)量土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等參數(shù)，基本滿足工程需要，但是這顯然并不滿足本文研究所需，如何解決固結(jié)試樣之前的孔隙水抽取置換問題成為我們研制裝置時(shí)需要解決的首要問題。通過查閱文獻(xiàn)[1-8]，目前針對(duì)飽和軟黏土的固結(jié)變形特性展開的研究，無可避免需要考慮外荷載下超孔隙水壓力的消散問題，而無論是研究孔隙水壓力或者孔隙水回流，都需要先將固結(jié)沉降過程中的孔隙水收集測(cè)量，遺憾的是目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的儀器設(shè)備都無法滿足上述需要，所以很多學(xué)者基于上述思路對(duì)傳統(tǒng)裝置進(jìn)行了改裝，并初步研究得到了一些研究結(jié)論。了解了上述內(nèi)容對(duì)于我們進(jìn)行本文研究裝置的改造還是很有幫助的，很明顯，本文研究裝置改造的關(guān)鍵步驟在于解決固結(jié)之前的原狀土樣孔隙水鹽分置換，即既需要裝置全程密封以避免對(duì)土樣的擾動(dòng)，又需要在土樣裝入裝置之后且在土樣固結(jié)之前進(jìn)行孔隙水鹽分置換，因此需要研制合適的儀器。筆者在上述討論的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)固結(jié)儀器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

擬改造后的試驗(yàn)裝置應(yīng)該滿足如下基本要求：

（1）可以完成本文研究?jī)?nèi)容，可以通過本裝置對(duì)測(cè)試樣進(jìn)行孔隙水抽取、收集、量測(cè)，孔隙水鹽分置換、測(cè)量以及固結(jié)試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)裝置密封性能好，可以保證在孔隙水抽取、測(cè)量、置換以及固結(jié)過程確保土樣沒有擾動(dòng)。

（3）試驗(yàn)容器有收納裝置能夠收集到從土樣中排出的孔隙水，并可以利用輔助手段測(cè)量孔隙水PH值、電導(dǎo)率、濃度等各參數(shù)值。測(cè)量過程不影響土樣。

（4）土樣和容器之間能夠密切貼合，確保兩者之間沒有縫隙，試驗(yàn)裝置不漏水，即確保水流在整個(gè)試驗(yàn)過程中能夠且僅僅能夠在土樣中通過而不通過其他途徑。

（5）試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該確保密封性較高，即水分不被人為影響蒸發(fā)或者揮發(fā)。

（6）試驗(yàn)過程應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，以免溫度變化對(duì)土樣測(cè)試結(jié)果造成過大誤差。

（7）改造后的試驗(yàn)裝置能夠利用常規(guī)固結(jié)儀的加荷系統(tǒng)，確保加壓穩(wěn)定。

（8）滲透試驗(yàn)確保土樣不受壓，固結(jié)試驗(yàn)確保土樣可以承受上部荷載并發(fā)生壓縮。

2.2 試驗(yàn)裝置改造關(guān)鍵點(diǎn)及處理

室內(nèi)土工試驗(yàn)中最需要注意的是確保試驗(yàn)精度，可以盡可能符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，因此如何減小試驗(yàn)誤差，特別是減小人為誤差就成為室內(nèi)試驗(yàn)需要著重考慮的問題。對(duì)于本文試驗(yàn)過程而言，無論是在孔隙水置換過程還是隨后進(jìn)行的固結(jié)試驗(yàn)過程，減小誤差的根本之處在于確保儀器密封性，確保原狀土樣制樣裝入儀器后盡可能密封緊密且不對(duì)其過多擾動(dòng)，這樣在一定程度上減小了誤差對(duì)于結(jié)果的干擾?；诖耍狙b置設(shè)計(jì)過程中需要多考慮容易漏氣、漏水的地方并對(duì)這些地方加以改進(jìn)。

由裝置簡(jiǎn)圖（圖1）可以看出，本裝置需要防止的漏氣漏水部分為：

（1）上部加荷裝置的加壓活塞部分與盛放土樣的容器之間的密封；

（2）試樣與盛放土樣的容器相互之間的密封；

（3）連接收集水系統(tǒng)的導(dǎo)管與加壓活塞連接處的密封。

（4）留有排出殘余空氣的通道，以防試驗(yàn)結(jié)果受參與空氣影響。

解決辦法如下：

（1）在試驗(yàn)裝置的研制過程中，關(guān)于活塞與盛放土樣容器之間的密封是最難解決的問題，因?yàn)榧訅夯钊且粋€(gè)運(yùn)動(dòng)體，其在受到外加荷載時(shí)，要隨土樣發(fā)生沉降或膨脹變形，這就要求活塞與盛放土樣容器之間的摩擦力盡可能小，否則影響試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)已有研究結(jié)果[9-10]，通過動(dòng)公差配合設(shè)計(jì)、活塞側(cè)壁加密封圈與涂抹凡士林3種手段相結(jié)合，才解決了對(duì)加壓活塞與盛放土樣容器壁之間的密封問題。這樣既能夠使加壓活塞在移動(dòng)時(shí)受到的摩阻力很小，又能夠保證整個(gè)土樣處在密封狀態(tài)。在此情況下，土樣排出的孔隙水可以被準(zhǔn)確地收集起來，為研究土樣的回彈吸水作好了試驗(yàn)準(zhǔn)備。

（2）土樣與盛放土樣容器之間的密閉問題相對(duì)來說比較容易。當(dāng)土樣受到外加垂直荷載時(shí)，將產(chǎn)生垂直變形與側(cè)向變形，由于側(cè)向變形受到限制，使得盛放土樣容器的側(cè)壁與土樣之間將產(chǎn)生緊密貼合，這種土樣與容器壁之間的緊密貼合也為準(zhǔn)確量測(cè)土樣底部的超孔隙水壓力提供了保證。

（3）對(duì)于導(dǎo)管與加壓活塞連接處，在設(shè)計(jì)連接時(shí)采用螺栓連接，在連接處通過纏繞膠帶紙就可以保證在此處實(shí)現(xiàn)不漏氣、漏水。

（4）在加壓活塞的底部與透水石之間、透水石與盛土樣容器底部之間都可能存在殘余空氣，排出殘余空氣通道的設(shè)計(jì)思路是將該通道留在加壓活塞上面。該排氣孔可以用小型螺母進(jìn)行封閉，在裝土樣以前，該排氣孔是開放的，裝好土樣以后，對(duì)土樣進(jìn)行預(yù)壓，就可以將加壓活塞的底部與透水石之間的殘余空氣排出，然后再用小型螺母進(jìn)行封閉；透水石與盛土樣容器底部之間的殘余空氣考慮采用1個(gè)三通閥來解決排氣問題。

3.試驗(yàn)裝置

本節(jié)描述根據(jù)研制思路所改裝、研制的孔隙水置換固結(jié)試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置主要由加荷系統(tǒng)、滲透固結(jié)容器、量測(cè)系統(tǒng)3個(gè)部分組成。

3.1 加荷系統(tǒng)

由去掉原容器部分的WG型單杠桿固結(jié)儀作為加荷系統(tǒng)，特點(diǎn)是加荷穩(wěn)。

3.2 滲透固結(jié)容器

該部分由固結(jié)儀內(nèi)筒、緊固螺環(huán)、固結(jié)儀底座、加壓活塞組成。圖 2為滲透固結(jié)容器示意圖。

(1) 固結(jié)儀內(nèi)筒：該部分作為盛置土樣與活塞運(yùn)動(dòng)部分，外徑為75 mm，內(nèi)徑為61.8 mm。上部截面積比下部稍大，作為放置土樣時(shí)的導(dǎo)向環(huán)。在內(nèi)筒底部側(cè)壁上開一道U型槽，放置O型橡膠密封圈，用于防止從底部漏水。土樣加荷后，側(cè)向壓力增加，使得土樣與容器壁的貼合十分嚴(yán)密，消除了在裝樣過程中可能出現(xiàn)的土樣與容器貼合不十分嚴(yán)密的現(xiàn)象。

(2) 緊固螺環(huán)：用于固定固結(jié)儀內(nèi)筒與固結(jié)儀底座的裝置。

(3) 固結(jié)儀底座：底座上有2個(gè)螺栓孔，與底座中心相通的可以通過連接水頭或壓力傳感器來量測(cè)滲透系數(shù)或孔隙水壓力，另一個(gè)通過連接測(cè)流管量測(cè)土樣排水量。底部有1個(gè)容器定位槽，后方有1個(gè)量表支架座。

(4) 加壓活塞：高度為25 mm，直徑為 61.8 mm，頂部傳壓凹座兩側(cè)有1個(gè)排水孔和1個(gè)排氣孔，裝樣完畢后用1個(gè)螺母封閉排氣孔?；钊谏嫌?道U 型槽，用于放置O型密封圈。由于活塞與容器壁之間有一定的摩阻力，影響對(duì)土樣施加壓力的數(shù)值，為此在未裝土樣前，先把容器置于固結(jié)系統(tǒng)上，在砝碼一端徐徐加上少量砝碼，直至杠桿即將失去平衡、活塞發(fā)生移動(dòng)為止。

圖2 滲透固結(jié)容器設(shè)計(jì)圖

3.3 量測(cè)系統(tǒng)

(1) 測(cè)流系統(tǒng)的功能是在較短的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)量測(cè)軟黏土介質(zhì)中排出水的數(shù)量，測(cè)流管是測(cè)流系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。要求在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確反映出水量體積的微弱變化，并便于清洗，所以選擇了滴定管做為測(cè)流管。其刻度為0.05cm3，可以反映液體體積的變化。

(2) 孔隙水壓力量測(cè)。采用與孔壓傳感器相連的孔壓數(shù)字儀來量測(cè)孔隙水壓力。

(3) 變形量測(cè)。采用百分表來量測(cè)土樣變形。由于試驗(yàn)所用土樣有較強(qiáng)的腐蝕性，所以加工儀器所用材料為黃銅。

4.試驗(yàn)裝置的檢定

試驗(yàn)前，用高度為20 mm、直徑為61.8 mm的環(huán)刀制樣，并抽氣飽和。試驗(yàn)時(shí)，先用緊固螺環(huán)將固結(jié)儀內(nèi)筒固定到固結(jié)儀底座上，放入透水石和濾紙，打開與底座相連的三通閥在固結(jié)儀內(nèi)筒內(nèi)注滿水；然后，將帶有土樣的環(huán)刀放在固結(jié)儀內(nèi)筒的導(dǎo)環(huán)內(nèi)，并用透水石輕輕把土樣推入固結(jié)儀內(nèi)筒，將加壓活塞置于土樣上，輕輕加壓，待土樣與透水石緊密貼緊后，擰緊封閉螺母，這樣在土樣頂部只有排水管與測(cè)流管相連。若關(guān)閉固結(jié)儀底座三通閥的排水管，土樣底部就只與孔壓傳感器相連，此時(shí)，土樣單面排水固結(jié)，可以量測(cè)土樣底部孔隙水壓力的消散；若關(guān)閉孔壓閥門，則可以與排水管相連，可以進(jìn)行雙面排水固結(jié)試驗(yàn)以及孔隙水置換試驗(yàn)。其他試驗(yàn)方法同常規(guī)壓縮試驗(yàn)。經(jīng)初步測(cè)試檢測(cè)，采用改造過的孔隙水置換固結(jié)裝置可以很好完成本文擬做試驗(yàn)。

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G322

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1007-6344（2016）07-0304-02

2015年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“濱海鹽漬化軟土在孔隙水鹽分溶脫環(huán)境的固結(jié)特性研究”（201510792005）；2015年天津城建大學(xué)大學(xué)生科研立項(xiàng)“考慮電極材料和排布方式的電滲加固軟土優(yōu)化試驗(yàn)研究”（150402）；天津城建大學(xué)2013年度教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（JG-1357）

張彥（1980-），女，碩士，工程師/實(shí)驗(yàn)師，主要從事巖土工程、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)與科研工作。