滲壓儀測定黏性土多參數的方法

趙玉紅，王福剛，高振凱，苑藝琳

(1.吉林大學 環境與資源學院，吉林 長春 130021；2.吉林大學 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、亞黏土等滲透系數的儀器,滲壓儀一般用于測定黏性土的垂向滲透系數KV與水平向滲透系數KH、垂向固結系數CV與水平向固結系數CH及土樣的壓縮性指標。本研究拓展了滲壓儀測定黏性土多參數測定功能，使滲壓儀在具備測定黏性土固結系數等常規參數的基礎上，也可以測定黏性土的不同物理狀態的水理性質和力學指標，大大提高了滲壓儀的實際應用價值和實驗功能，同時豐富了開放實驗室的實驗項目，為大學生創新項目及科學研究創造了良好的實驗條件。

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，當試樣從地下取至地面后，在有側限的取樣器中，由于上覆土層自重壓力的解除，試樣體積將會發生縱向膨脹，使土體孔隙加大，導致滲透系數增大。為了恢復土樣的天然狀態，滲壓儀采用純氣壓加荷系統，由空壓機通過壓力控制器(調壓閥)向試樣施加固結壓力，壓力的大小由精密壓力表監控，固結過程由百分表監測土樣的變形量，待固結穩定后(百分表一小時內讀數變化≤0.005 mm)，再進行滲透實驗，得到天然狀態下的滲透系數。滲壓儀的滲壓系統可造成一個水頭差，使水在土樣中呈層流運動，同時可以通過施加滲透壓力(不能超過固結壓力)加快滲透速度。

2 測定黏性土的多參數

2.1 常規測定的參數

2.1.1 垂直向滲透系數與水平向滲透系數的測定

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

2.1.2 垂直向固結系數與水平向固結系數的測定

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

對于具有層理構造的黏砂土互層的土層，其各向異性性質比較明顯，水平向固結系數與垂向固結系數有很大不同。水平向固結系數CH的測定，采用水平取樣的方式實現[6]。

2.1.3 常規的壓縮性指標的測定

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

2.2 儀器測試功能的拓展和開發

2.2.1 釋水系數與貯水系數的測定

貯水系數/釋水系數[8]是當含水層水頭變化一個單位時，單位面積含水層柱體由于水體壓縮(膨脹)和介質骨架(包括孔隙)膨脹(壓縮)而儲存(釋出)的水量。在常規的水壓力變化范圍，水的壓縮性(膨脹性)和介質骨架(不包括孔隙)本身的壓縮性可以忽略。因此，在常規水壓力變化條件下，貯水系數在數值上近似等于柱體壓縮變形量。實驗步驟如下：

(1) 制取飽和試樣。因含水層的壓縮、回彈是在飽和條件下進行的。所以要將用環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) 施加固結壓力。當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立即解除，在有側限的取樣器中，只能發生縱向膨脹。為了恢復黏性土的天然狀態，需向黏性土施加固結壓力，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，待固結穩定后，即認為試樣恢復了天然狀態。

(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。根據水位動態的變化規律，設計壓縮釋水與回彈貯水試驗的逐級荷載，待固結穩定后，測定的壓縮量和回彈量即相當于釋水量和貯水量。

(4) 計算公式。 當固結壓力由p1增加到p2時，釋水系數μs為

當自重壓力由p3減小到p4時，貯水系數為

2.2.2 不同壓力條件下黏性土滲透系數測定

將飽和后的試樣裝入滲壓容器內，由小到大逐級向試樣施加壓力，當每級固結壓力穩定后(百分表1 h內讀數變化≤0.005 mm)再進行滲透，即可求出每級固結壓力下的滲透系數。以此類推，即可求出不同壓力條件下的滲透系數[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，由小到大逐級向試樣施加壓力，當每級固結壓力穩定后(百分表1 h內讀數變化≤0.005 mm)，取出試樣，去掉濾紙再稱量，以此類推，即可求出不同壓力條件下的含水量[12]。

3 實際應用

3.1 石家莊地區地層剖面滲透系數測定

野外抽水實驗雖然是獲取天然狀態下含水層滲透系數的有效方法，但耗費的人力和財力大。如果能夠采用類比的原理，根據相應地層的剖面屬性特征，在室內采用相同屬性和質地的土樣，恢復其原位天然環境的應力條件和滲流條件，測定其滲透系數，不但解決了原位取樣工作的困難，也節省了人力資源和經費，同時也提高了工作效率。

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

表1為石家莊地區地層相應參數測試成果。石家莊地區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，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)，當每級固結壓力穩定后，進行滲透，求出每級固結壓力下(地層不同深度)的滲透系數。各項參數測試結果見圖1。由圖1可見，固結壓力與滲透系數成反比關系，隨著壓力加大，滲透系數變小。不同巖性變化參數間相互關系不同。

表1 石家莊地區不同巖性、不同深度滲透系數

圖1 固結壓力與滲透系數關系

3.2 不同固結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，待固結穩定后，將試樣取出稱量。以此類推，可測出試樣不同固結壓力與含水量ω變化關系，結果見圖2。

圖2 不同固結壓力與含水量關系

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種巖性的比例系數是不同的。

3.3 不同黏性土的溶質運移變化規律研究

用滲壓儀進行弱透水層飽和黏性土滲透和溶濾實驗，可了解污染質在弱透水層中的運移及濃度變化規律。將污染質溶液銨根離子、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個不同質量濃度作為滲透溶液，對3種巖性黏性土進行滲透實驗，分別測試滲出的溶液質量濃度變化，研究不同黏性土中污染物運移變化規律。測試結果見表2。由表2可見，3種黏性土6種不同質量濃度溶質滲透的質量濃度變化是不同的。各離子質量濃度都是由大變小，但其變化速度不同。銨根離子、鈣離子、絡離子、氯離子的質量濃度變化規律大致相同，而硝酸根離子的質量濃度變化較小，硫酸根離子的質量濃度變化較大。由此可看出，用滲壓儀測定黏性土不同質量濃度的滲透是可行的，解決了普通儀器滲透時間長、測試困難的問題。

表2 不同離子滲透實驗結果 mg·L-1

表2(續) mg·L-1

4 結論

在原來的滲壓儀測試功能的基礎上，開發拓展了其新的測試實驗功能，實現了滲壓儀不僅可以用于測定黏性土的滲透系數、固結系數等，而且還可以在實際生產中測定黏性土的釋水系數與貯水系數，以及黏性土在不同壓力條件下的滲透系數和含水量。同時還可以用于進行弱透水層(黏性土)中溶質(污染質)運移實驗，豐富了實驗內容。實現了在不增加資金投入的情況下，儀器使用效益最大化。

[1] 王靜,馮德軍，隋青美，等.基于拉桿結構的光纖布拉格光柵滲壓傳感器研究[J].光學學報，2010，30(3):686-691.

[2] 劉光堯.滲透系數概念發展的回顧[J].工程勘察，1997,20(2)：34-38.

[3] 鄭木蓮.多孔混凝土的滲透系數及測定方法[J].交通運輸工程學報，2006，6(4)：41-46.

[4] 胡榮華,余海忠,張明,等.確定軟土固結系數方法的研究[J].鐵道建筑，2010(2):74-81.[5] 李金軒,胡金珠.確定固結系數的標準曲線比擬法[J].工程勘察，1996(1):21-22.

[6] 路瑩,杜新強,遲寶明,等.地下水人工回灌過程中多孔介質懸浮物堵塞實驗[J].吉林大學學報:地球科學版，2011(3):448-453.

[7] 何珊儒.土壓縮性指標的原位和室內測試研究[J].西部探礦工程，2005,10(12)：57-58.

[8] 邱枚大，宿青山,趙玉紅.含水層釋水系數及貯水系數的初步研究[J].長春地質學院學報，1989,4(19)：191-198.

[9] 李小春,王穎,魏寧.變容壓力脈沖滲透系數測量方法研究[J].巖石力學與工程學報，2008,27(12)：2482-2487.

[10] 苑蓮菊,李振栓,武肚忠,等.工程滲流力學及應用[M].北京:中國建材工業出版社，2001: 13-14.

[11] 施小清,吳吉春,袁永生.滲透系數空間變異性研究[J].水科學進展,2005(2):210-215.

[12] 唐興華,趙志祥,吉守信,等.新第三系紅層不同含水量與其力學性質關系試驗研究[J].西北水電,2005(4):16-19.

[13] 徐光焰.地層剖面中砂泥巖石組合天然氣綜合擴散系數模擬及應用[J].新疆石油學院學報，2004,16(4)：18-24.

[14] 蔡樹英,楊金忠.地層滲透性分區和分層方法初步研究[J].長江科學院院報,2003，20(6):37-40.

[15] 楊文濱，李德吉.非穩定滲流條件地層原位試驗推求滲透系數方法初探[J].廣東水利水電,2013(2)：4-7.