改進型滲壓儀的研制與實驗室應用

吳曉峰， 吳 玥， 袁聚云

(同濟大學 a. 巖土及地下工程教育部重點實驗室；b. 經濟與管理學院，上海 200092)

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·儀器設備研制與開發(fā)·

改進型滲壓儀的研制與實驗室應用

吳曉峰a， 吳 玥b， 袁聚云a

(同濟大學 a. 巖土及地下工程教育部重點實驗室；b. 經濟與管理學院，上海 200092)

為了提高滲透試驗的效率和精度，發(fā)揮實驗教學中學生的主觀能動性，設計出一款改進型滲壓儀。該儀器基于巖土工程實驗室常用QY1-3型滲壓儀，采用GDS控制器加載滲透壓力，由JM3811靜態(tài)應變測試系統(tǒng)采集試樣的軸向變形，通過計算機模塊控制試驗、整理數據。通過與普通滲壓儀對某地軟黏土滲透性的對比，采用3種先期固結壓力和兩種滲透壓力加載方式，驗證改進型儀器的性能。實驗結果顯示：軟黏土的滲透系數隨先期固結壓力的增大而減小，受滲透壓力的影響很小。改進型滲壓儀的操作簡便，結果可靠、精度高，測量時間短，功能多樣化，不但能滿足科研和教學需要，同時提高了測試效率和學生動手操作能力。

滲透系數； 滲壓儀； GDS加壓控制器； 固結

0 引 言

巖土工程實踐中，常需了解土體的滲透性，如基坑開挖排水，結合土體滲透性配置排水設備[1]；修筑土石壩、邊坡，要考慮填料的滲透性[2]；計算飽和軟黏土上建筑物的沉降，也要掌握滲透性影響[3]。此外，滲透還會引發(fā)流沙、管涌等現(xiàn)象，對地下水資源保護和工程的安全等有不可忽視的作用[4-5]。

在現(xiàn)代土力學的科研或教學實踐中，滲透系數常作為土壤材料的重要物理性質參數被測試。傳統(tǒng)的滲透系數測量方法主要為常水頭和變水頭滲透實驗法[6]，這是一種標準的穩(wěn)態(tài)測量方法。而后，許多學者對改進滲透儀的性能作了大量研究工作[7-11]。盡管如此，現(xiàn)有滲透儀普遍存在測試時間長、效率低、精度差、不利于誤差分析、實驗操作步驟繁雜等缺點[12-15]。

在巖土工程實驗室常用QY1-3型滲壓儀的基礎上，采用GDS控制器進行滲透壓力的加載，由位移傳感器對固結過程試樣的軸向變形進行測量和采集，通過計算機軟件模塊進行試驗參數控制，實時顯示試樣軸向變形、滲透壓力和流量，自動儲存數據。改進后的滲壓儀設備測量時間短、數據準確和自動化程度高。

1 改進型滲壓儀的原理

傳統(tǒng)的QY1-3型滲壓儀通過氣壓加載固結和滲透壓力，使用指針型圓盤壓力表顯示數值，旋轉閥門控制壓力大小。實驗過程中，靠人工掐表記錄時間，人眼讀取指針刻度和體變管液面高度的方法進行數據采集。上述方法導致了實驗操作繁雜，測試結果很大程度受到實驗人員的主觀操作方式影響，數據誤差大。

本文對原有儀器的滲透加壓、數據采集、控制方式等功能做了優(yōu)化和改進，改進后的試驗裝置主要由加荷系統(tǒng)、滲壓加載系統(tǒng)、應變測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，通過氣壓加載固結，液壓控制滲流，其原理見圖1。

圖1 改進型滲壓儀的原理圖

1.1 加荷系統(tǒng)

由原QY1-3型滲壓儀的滲壓容器作為加荷系統(tǒng)，容器底部與加壓泵相連，通過氣壓控制閥調節(jié)壓力大小，由氣壓表讀取數值，滿足固結過程的要求。容器內有被兩片圓形透水石夾住的土樣。滲透過程中，進水管為下部透水石供水施加滲透壓力。位移表可以實時測得土樣的軸向變形。

1.2 滲壓加載系統(tǒng)

使用GDS液壓控制器進行滲透壓力的加載。GDS控制器可以通過自行輸入目標值的方式控制壓力，也可以與控制系統(tǒng)相連，實現(xiàn)計算機模塊的數字化控制。GDS控制器的加壓范圍為0～2 MPa，擴大了滲透系數的測量范圍，彌補了傳統(tǒng)滲壓儀無法測量高密度材料的不足。

1.3 應變測試系統(tǒng)

靜態(tài)應變測試系統(tǒng)可以實時匯總位移表采集到的試樣變形數據，并將數據傳輸到計算機模塊并顯示。常規(guī)固結過程通過人工采集，誤差大，而靜態(tài)應變系統(tǒng)的使用提高了固結試驗的效率和精確性。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為一臺加入編程模塊的計算機，具備滲壓控制和數據采集功能。通過模塊與GDS控制器相連，計算控制滲透壓力的加載和滲流體積的大小(見圖2)，壓力加載既可以是瞬間壓力增大，也可以輸入加載時間進行緩慢線性加載。另外，控制系統(tǒng)可以實時采集滲透壓力、滲流體積，并自動儲存(見圖3)。

圖2 控制系統(tǒng)原理示意圖

圖3 控制系統(tǒng)對實驗數據的實時采集

改進型滲壓儀可以同時滿足室內常規(guī)固結實驗和滲透實驗的要求，通過計算機進行壓力控制和數據采集，自動化程度高，操作簡便。

2 改進型滲壓儀的實驗方法

(1) 制樣。使用切土環(huán)刀切取有代表性的原狀或重塑土體，試樣高度20 mm，直徑61.8 mm，并抽真空飽和。為了排除水中復雜離子對測試的干擾，實驗中均使用去離子水。

(2) 排氣。將水導入滲壓容器，使整個管路及容器內透水石得到充分排氣并飽和。排氣的方式有兩種：①僅打開水箱閥門，利用大氣壓力進行降水排氣；②通過GDS控制器的排水操作進行排氣。排氣結束后，關閉所有閥門。

(3) 裝樣。將裝有飽和試樣的環(huán)刀，刀口朝上裝入滲壓容器內，注意裝入之前土樣的兩面貼上與環(huán)刀口面積相等的濾紙。環(huán)刀外面套上“O”型止水圈，放上墊環(huán)，擰緊螺環(huán)。在土樣上端裝透水石和傳壓帽。

(4) 固結過程。安裝位移表并與應變測試儀相連，打開計算機的位移采集模塊。根據實驗要求施加固結壓力，同步進行位移采集，完成固結實驗。

(5) 滲透過程。待試樣固結穩(wěn)定后，儲存位移采集數據，關閉位移采集模塊。打開滲透模塊，并輸入滲透壓力(可以是瞬間加載，也可以緩慢線性加載)，點擊開始鍵施加壓力，同時模塊自動采集滲透壓力和流量并儲存。

如果需要測量土樣在固結過程中的滲透系數，或者施加不同滲透壓力過程中的固結影響，可以按照上述試驗方法，將固結和滲透過程組合操作。

3 應用實驗及結果分析

為了檢驗改進型滲透儀的精度與適用性，以東南沿海某地軟黏土作為研究對象，采用改進型滲壓儀與QY1-3型滲壓儀進行對比實驗，方案如表1所示。

3.1 實驗原理

施加滲透壓力后，計算機控制系統(tǒng)自動記錄時間t，滲透壓力p和滲出液體的體積Q。根據達西定律計算出試樣的滲透系數k[16-17]，即：

(1)

式中：k為某一溫度時的滲透系數，cm/s；q為滲透流量，cm3/s；ΔH為水頭差，cm；A為試樣斷面積，cm2；Q為時間ts內的滲透水量，mL；L為試樣高度，cm；p為滲透壓力，kPa；t為滲透時間，s。

3.2 固結壓力與滲透壓力對滲透系數的影響

由圖4可知，不同固結壓力作用的土樣，滲透系數在滲流開始的1 000 s趨于平衡，固結壓力越大，滲透系數越小。圖5顯示，固結壓力與滲透系數呈負相關，相關系數R2=0.978 14。圖6為以0.208 3 kPa/min速度線性加載滲透壓力的滲透系數關系曲線。加載之始，滲透系數不穩(wěn)定，待到穩(wěn)定后，滲透系數隨滲透壓力的變化不明顯，可見小于破壞土樣微觀結構的滲透壓力對滲透系數的影響很小，符合滲透試驗規(guī)范要求。

圖4 不同固結壓力下的滲透系數曲線

圖5 滲透系數與固結壓力的關系

圖6 線性加載滲透壓力實驗

3.3 與原來儀器的試驗對比

使用QY1-3型滲壓儀，在相同參數條件下進行滲壓實驗，結果如圖7所示。可見，QY1-3型滲壓儀的實驗數據較零散，規(guī)律性差，而且實驗方法由實驗人員控制，人為因素增加了采集數據難度。相比，改進型滲壓儀的測試效率更高，操作過程更加便捷。對比實驗結果如表2所示。

圖7 QY1-3型滲壓儀對比實驗

表2 改進型滲壓儀與QY1-3型滲壓儀的實驗結果對比

通過3種不同固結壓力的試驗，2種儀器測試結果的絕對誤差最大值為0.43×10-8cm/s，遠小于滲透試驗規(guī)范規(guī)定的(±2×10-n)cm/s(按照量級表述，本實驗中n=8)，所以改進型滲透儀用于滲透試驗是可行的，符合規(guī)范中的實驗要求。

4 結 語

通過GDS控制器加載滲透壓力，可在較大范圍內選擇并提高滲透壓力，解決了一般滲透儀無法測試高密實試樣的難題。加快了實驗速度，提高了測試效率。采用計算機數字化控制系統(tǒng)，不但可以實現(xiàn)瞬間或線性加載壓力，而且減少了實驗讀數的主觀人為因素，提高了實驗的精度，操作更加便捷，減輕了勞動強度。室內應用和對比實驗結果表明，本文研究的改進型滲壓儀滿足規(guī)范要求，精確度高，操作方式多樣化，有助于學生根據不同的實驗對象、加壓方式和實驗方法，自行設計、選擇不同的實驗方案完成實驗, 提高了實驗教學的效果。

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Principle and Application in Laboratory of a Newly Developed Permeameter

WUXiao-fenga,WUYueb,YUANJu-yuna

(a.Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education;b. School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In order to improve the efficiency and accuracy of permeability test as well as students' subjective initiative in experiment teaching, an improved permeameter has been designed. Through experimental method, the principle and operation process of the instrument are introduced. Through the test on the permeability of soft clay compared with common permeameters, the performance of the improved instrument is validated under three kinds of pre consolidation pressures and two kinds of osmotic pressure loading method. Based on QY1-3 equipment used commonly in geotechnical engineering laboratory, this instrument forces on osmotic pressure by GDS controller, and collects the vertical deformation of samples by JM3811 static strain testing system. Computer module is used in the test for operation control and data arrangement. Test results show that permeability coefficient of soft clay is negatively correlated with the pre consolidation pressure, and is not significantly affected by osmotic pressure. With less measurement time and diverse functions, this device makes the operation easier, and the data reliable and highly accurate. It can not only meet the needs of scientific research and teaching, but also improve research efficiency and students’ hands-on ability at the same time. This device can display and store the experimental data in real time, which fulfills the digital experiment process and is accordance with the ideas of laboratory development.

permeability coefficient; permeameter; global digital systems (GDS) controller; consolidation

2015-04-21

國家自然科學基金青年基金項目(51008228)；實驗教學改革專項基金

吳曉峰(1962-)，男，上海人，工程師，現(xiàn)主要從事巖土及地下工程的實驗研究。

Tel.:021-65984355；E-mail:xiaofengwu@tongji.edu.cn

TU 411

A

1006-7167(2016)02-0049-03