孔隙水鹽分置換固結裝置的改造研制

張 彥 梁驍睿

（天津城建大學土木工程學院 300384）

孔隙水鹽分置換固結裝置的改造研制

張 彥 梁驍睿

（天津城建大學土木工程學院 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，孔隙水鹽分發生溶脫，土的物理力學特性發生會改變，但是目前研究較少。本文針對此問題，自行設計了換鹽固結裝置，使其具有以下功能和優點：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， 漏水量小；通過三通閥可以控制排水條件，既可以進行單面排水試驗，并在底部量測孔隙水壓力的消散規律，也可以進行雙面排水試驗；可以同時進行固結試驗、滲透試驗，研究相關規律。

孔隙水鹽分置換；固結特性；換鹽固結裝置

1.引言

目前關于濱海新區原狀軟黏土研究大多數沒有考慮地下水鹽分變遷對于土體工程性質的影響，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試方法，制樣多采用烘干后的素土，根據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。此類試驗中將鹽分調配和固結試驗分開進行，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，對研究結果有所影響，而展開針對原狀軟土工程特性的研究，又面臨如何制樣及測試試驗過程中盡量減小擾動的問題，這就需要在試驗中既考慮到孔隙水鹽分置換，又要確保試樣在進行孔隙水鹽分溶脫后可以直接進行固結試驗，以免對土樣進行二次擾動而導致試驗結果產生較大誤差。基于此，筆者在前人基礎上開發研制孔隙水鹽分置換固結裝置。

2.研制思路

2.1 擬改造試驗裝置的基本要求

傳統固結試驗需要提前制備好試樣，一般試樣尺寸高20mm，直徑61.8mm，采用環刀取樣法即可取得原狀試樣。一般來說，傳統固結試驗可以完美的測量土的壓縮系數、壓縮模量等參數，基本滿足工程需要，但是這顯然并不滿足本文研究所需，如何解決固結試樣之前的孔隙水抽取置換問題成為我們研制裝置時需要解決的首要問題。通過查閱文獻[1-8]，目前針對飽和軟黏土的固結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，都需要先將固結沉降過程中的孔隙水收集測量，遺憾的是目前傳統實驗室內的儀器設備都無法滿足上述需要，所以很多學者基于上述思路對傳統裝置進行了改裝，并初步研究得到了一些研究結論。了解了上述內容對于我們進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鍵步驟在于解決固結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土樣的擾動，又需要在土樣裝入裝置之后且在土樣固結之前進行孔隙水鹽分置換，因此需要研制合適的儀器。筆者在上述討論的基礎上對傳統固結儀器進行改造設計。

擬改造后的試驗裝置應該滿足如下基本要求：

（1）可以完成本文研究內容，可以通過本裝置對測試樣進行孔隙水抽取、收集、量測，孔隙水鹽分置換、測量以及固結試驗。

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

（3）試驗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量孔隙水PH值、電導率、濃度等各參數值。測量過程不影響土樣。

（4）土樣和容器之間能夠密切貼合，確保兩者之間沒有縫隙，試驗裝置不漏水，即確保水流在整個試驗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）試驗系統應該確保密封性較高，即水分不被人為影響蒸發或者揮發。

（6）試驗過程應在恒溫下進行，以免溫度變化對土樣測試結果造成過大誤差。

（7）改造后的試驗裝置能夠利用常規固結儀的加荷系統，確保加壓穩定。

（8）滲透試驗確保土樣不受壓，固結試驗確保土樣可以承受上部荷載并發生壓縮。

2.2 試驗裝置改造關鍵點及處理

室內土工試驗中最需要注意的是確保試驗精度，可以盡可能符合現場實際條件，因此如何減小試驗誤差，特別是減小人為誤差就成為室內試驗需要著重考慮的問題。對于本文試驗過程而言，無論是在孔隙水置換過程還是隨后進行的固結試驗過程，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其過多擾動，這樣在一定程度上減小了誤差對于結果的干擾。基于此，本裝置設計過程中需要多考慮容易漏氣、漏水的地方并對這些地方加以改進。

由裝置簡圖（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）連接收集水系統的導管與加壓活塞連接處的密封。

（4）留有排出殘余空氣的通道，以防試驗結果受參與空氣影響。

解決辦法如下：

（1）在試驗裝置的研制過程中，關于活塞與盛放土樣容器之間的密封是最難解決的問題，因為加壓活塞是一個運動體，其在受到外加荷載時，要隨土樣發生沉降或膨脹變形，這就要求活塞與盛放土樣容器之間的摩擦力盡可能小，否則影響試驗結果。根據已有研究結果[9-10]，通過動公差配合設計、活塞側壁加密封圈與涂抹凡士林3種手段相結合，才解決了對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時受到的摩阻力很小，又能夠保證整個土樣處在密封狀態。在此情況下，土樣排出的孔隙水可以被準確地收集起來，為研究土樣的回彈吸水作好了試驗準備。

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

（3）對于導管與加壓活塞連接處，在設計連接時采用螺栓連接，在連接處通過纏繞膠帶紙就可以保證在此處實現不漏氣、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計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行封閉，在裝土樣以前，該排氣孔是開放的，裝好土樣以后，對土樣進行預壓，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個三通閥來解決排氣問題。

3.試驗裝置

本節描述根據研制思路所改裝、研制的孔隙水置換固結試驗裝置。該試驗裝置主要由加荷系統、滲透固結容器、量測系統3個部分組成。

3.1 加荷系統

由去掉原容器部分的WG型單杠桿固結儀作為加荷系統，特點是加荷穩。

3.2 滲透固結容器

該部分由固結儀內筒、緊固螺環、固結儀底座、加壓活塞組成。圖 2為滲透固結容器示意圖。

(1) 固結儀內筒：該部分作為盛置土樣與活塞運動部分，外徑為75 mm，內徑為61.8 mm。上部截面積比下部稍大，作為放置土樣時的導向環。在內筒底部側壁上開一道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，側向壓力增加，使得土樣與容器壁的貼合十分嚴密，消除了在裝樣過程中可能出現的土樣與容器貼合不十分嚴密的現象。

(2) 緊固螺環：用于固定固結儀內筒與固結儀底座的裝置。

(3) 固結儀底座：底座上有2個螺栓孔，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滲透系數或孔隙水壓力，另一個通過連接測流管量測土樣排水量。底部有1個容器定位槽，后方有1個量表支架座。

(4) 加壓活塞：高度為25 mm，直徑為 61.8 mm，頂部傳壓凹座兩側有1個排水孔和1個排氣孔，裝樣完畢后用1個螺母封閉排氣孔。活塞壁上有2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，影響對土樣施加壓力的數值，為此在未裝土樣前，先把容器置于固結系統上，在砝碼一端徐徐加上少量砝碼，直至杠桿即將失去平衡、活塞發生移動為止。

圖2 滲透固結容器設計圖

3.3 量測系統

(1) 測流系統的功能是在較短的觀測時間內量測軟黏土介質中排出水的數量，測流管是測流系統的關鍵部分。要求在短時間內準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。采用與孔壓傳感器相連的孔壓數字儀來量測孔隙水壓力。

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

4.試驗裝置的檢定

試驗前，用高度為20 mm、直徑為61.8 mm的環刀制樣，并抽氣飽和。試驗時，先用緊固螺環將固結儀內筒固定到固結儀底座上，放入透水石和濾紙，打開與底座相連的三通閥在固結儀內筒內注滿水；然后，將帶有土樣的環刀放在固結儀內筒的導環內，并用透水石輕輕把土樣推入固結儀內筒，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流管相連。若關閉固結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，土樣單面排水固結，可以量測土樣底部孔隙水壓力的消散；若關閉孔壓閥門，則可以與排水管相連，可以進行雙面排水固結試驗以及孔隙水置換試驗。其他試驗方法同常規壓縮試驗。經初步測試檢測，采用改造過的孔隙水置換固結裝置可以很好完成本文擬做試驗。

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G322

B

1007-6344（2016）07-0304-02

2015年國家大學生創新創業訓練計劃項目“濱海鹽漬化軟土在孔隙水鹽分溶脫環境的固結特性研究”（201510792005）；2015年天津城建大學大學生科研立項“考慮電極材料和排布方式的電滲加固軟土優化試驗研究”（150402）；天津城建大學2013年度教育教學改革與研究項目“土力學實驗教學改革研究與實踐”（JG-1357）

張彥（1980-），女，碩士，工程師/實驗師，主要從事巖土工程、土力學實驗等教學與科研工作。