柔壁渗透仪与变水头渗透仪对比试验及其性能测试

靖向党，张佳兴，彭 第，郑国勋，于 波（.长春工程学院勘查与测绘工程学院，吉林长春 300；.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 60059）



柔壁渗透仪与变水头渗透仪对比试验及其性能测试

靖向党1，张佳兴2，彭 第1，郑国勋1，于 波1
（1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，吉林长春 130021；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059）

摘要：为了测试柔壁渗透仪的可靠性及其性能，采用水泥土样和普通土样与常用的变水头渗透仪进行了对比测试，并进行了柔壁渗透仪不同渗透压、不同试样高度和直径的对比测试。试验结果表明：柔壁渗透仪测试结果准确、性能可靠，柔性壁密闭性好，对制样要求不高，试样高度和直径可在一定范围内选择；可采用高渗透压快速完成渗透系数测试；仪器可用于测试渗透系数小于1× 10-5cm/ s的水泥土样、水泥浆样和塑性混凝土样，以及渗透系数小于1×10-6cm/ s的硬土样测试。

关键词：柔壁渗透仪；变水头渗透仪；渗透系数；土工试验

水泥土、塑性混凝土或水泥浆广泛应用于水利工程、城市建筑基坑工程、垃圾填埋场工程等工程的防渗处理中，但到目前为止，国家仍未出台测试其渗透性能的方法和技术标准，也没有与之配套的测试仪器[1]，防渗浆材结石体或固结体（钻孔取样）的渗透系数的测定仍采用土工试验的方法和仪器。

目前国内土工试验渗透系数测定主要采用常水头和变水头渗透仪。常水头渗透仪一般用于测试渗透系数较大的无黏性土，而变水头渗透仪（如南-55型）用于测试渗透系数大于1×10-7cm/ s的黏性土，也用于测试防渗工程固结体（钻孔取样）的渗透系数。但变水头渗透仪制样对测试结果影响较大，且存在环刀刚性侧壁易产生侧壁渗漏、对制样要求高、防渗工程试样蜡封难、测试时间长等问题[2-5]，也不能进行垃圾渗沥液等污水的渗滤试验[6-7]。为解决上述问题，靖向党等[8]开发了柔壁渗透仪[9-11]，并用于北京市某地铁站等3个基坑围护工程防渗墙防渗效果检测，测得的渗透系数介于10-8～10-6cm/ s之间[12]，解决了防渗固结体难以测试的问题；也利用柔壁渗透仪进行了垃圾渗沥液、重金属离子溶液和有机污染物溶液在浆材结石体中的渗滤试验[13]。

本文对柔壁渗透仪与变水头渗透仪进行对比试验，并进行了柔壁渗透仪不同渗透压、不同试样高度与直径的对比试验研究，以研究柔壁渗透仪解决变水头渗透仪测试存在问题的效果。

1 柔壁渗透仪组成、原理及特点

1. 1 柔壁渗透仪基本组成与测试原理

柔壁渗透仪采用自有专利技术[9-11]开发，实现了二维或三维应力状态下测试、试样规格可选、气水隔离增加渗透压及自动化数字化测试。仪器主要由渗透试验装置、气水隔离供液装置、控制箱和数据处理系统等组成[14]，如图1所示，其中渗透试验装置由压力腔、测试单元（试样顶底座、透水石、试样等）、柔性胶膜、可滑动支撑盘和支撑杆、渗出液导出管、围压输入管、渗透液输入管等组成。试样顶座可沿顶座支撑杆上下滑动，以适应不同高度的试样，一般为40～160 mm。

图1 柔壁渗透仪组成

测试时，柔性胶膜在气压或水压作用下包裹住试样形成柔性密封侧壁，渗透液在气压作用下由气水隔离供液装置通过控制箱进入渗透试验装置的试样底座与透水石，渗透液经由试样渗透，通过透水石和顶座流入控制箱的渗出液收集管完成渗透过程。由于渗透压通过气压施加且保持恒定，而出水水头在渗出液收集管内有所增加，故当有液体渗出后开始计时，并量测渗出液的体积、渗透压与渗出液水头的压差。根据GB/ T50123—1999《土工试验方法标准》[15]和SL237—1999《土工试验规程》[16]，试样的渗透系数为式中：KT为某一温度时的渗透系数，cm/ s；K20为20℃时试样的渗透系数，cm/ s；Q为时间t内的渗出水量，mL；L为试样高度，cm；A为试样断面积，cm2；ΔP为渗透压与渗出液水头的压差，kPa；t为渗透时间，s；ηT/η20为水的黏滞系数比。

1. 2 柔壁渗透仪的特点

a.采用橡胶膜作为试样侧壁，施加围压密封，解决了浆材结石体环刀制样和防渗工程钻孔取样在环刀中蜡封的难题，避免了侧壁渗漏，提高了测试精度。

b.采用气水隔离供液装置通过气压方式增加渗透压，不但可在较大范围内选择并提高渗透压力，解决防渗浆材结石体或灌浆固结体等低渗透系数材料渗透系数快速测试问题，提高了测试效率，而且很好地解决了使用压缩空气直接推动渗透液导致气体溶入渗透液影响测试精度的问题。

c.试样高度在40～160 mm范围可任选，试样直径有62 mm、70 mm、101 mm 3种规格可选，并可根据工程需要模拟场地应力条件进行渗透试验。

d.采用自动化数据采集处理系统，可减小测量读数等人为影响，提高测量精度，实现无人值守条件下的测试。

2 与变水头渗透仪对比试验

为了验证柔壁渗透仪测试数据的准确性、有效性和可靠性，采用水泥土样和普通土样进行了柔壁渗透仪和南-55型变水头渗透仪的对比测试。

2. 1 水泥土样的对比测试

分别采用由粉质黏土、水泥、粉煤灰等组成的SCF浆材[17]，由粉质黏土与水泥组成的SC浆材及纯水泥浆材配制试样，每组3个试样，养护一定时间后进行对比测试，每个试样测试3～5个数据求其平均值。柔壁渗透仪测试试样规格为直径6. 3 cm、高4. 0 cm，渗透压采用20 kPa；南-55型变水头渗透仪测试水头范围为200～185 cm，测试结果见表1。

由表1可知，不同浆材试样测试结果的最大绝对误差为0. 77×10-5cm/ s，远小于GB/ T 50123—1999《土工试验方法标准》和SL237—1999《土工试验规程》规定的小于2×10-ncm/ s，所以柔壁渗透仪用于水泥土样、水泥样的渗透性能的测试是可行的，且精度较高，满足规范要求。C-1号水泥试样因渗透系数小，南-55型变水头渗透仪无法测出其渗透系数，通过加大柔壁渗透仪的渗透水头，完成了该试样渗透系数的测试。

表1 两种渗透仪测试水泥土样渗透系数对比试验

2. 2 普通土样的对比测试

利用当地粉质黏土，采用击实的方式制备了密度为1. 8 g/ cm3、1. 9 g/ cm3、2. 0 g/ cm33组试样进行对比测试，每组3个样。为了保证对比测试试样的一致性，首先利用南-55型变水头渗透仪测试，然后将环刀中试样退出再进行柔壁渗透仪测试，每个试样测试3～5个数据求其平均值。柔壁渗透仪渗透压为20 kPa，围压施加范围为35～45 kPa，测试结果见表2。

由表2可知，3种不同密度普通土样测试结果最大绝对误差为0. 78×10-7cm/ s，符合GB/ T 50123—1999《土工试验方法标准》的规定，所以柔壁渗透仪可以用于黏性土样渗透性能的测试。

2. 3 对比测试结果分析

通过上述不同试样的对比测试可知，柔壁渗透仪用于测试渗透系数小于1×10-5cm/ s的水泥土样以及渗透系数小于1×10-6cm/ s的硬土样，其测试结果与目前土工试验常用的南-55型变水头渗透仪相比，绝对误差均远小于土工试验标准的规定，所以柔壁渗透仪测试结果是有效、准确和可信的。此外，柔壁渗透仪测试结果一般小于南-55型变水头渗透仪测试结果，说明南-55型变水头渗透仪存在侧壁渗漏等问题；而对于渗透系数小于1×10-8cm/ s的试样，南-55型变水头渗透仪无法测定，采用柔壁渗透仪提高渗透压可方便快速测出，具有更宽的渗透系数测试范围。

3 柔壁渗透仪的性能测试

3. 1 渗透压对渗透系数的影响

为了验证渗透压对渗透系数的影响，采用SCF浆材、SC浆材和纯水泥浆3种浆材，配制4种试样，每组3个试样，分别养护若干天后在不同渗透压下测定其渗透系数，每个试样测试3～5个数据求其平均值，测试结果见表3。

由表3可知，渗透压对不同浆材结石体的渗透系数影响较小，所测试的3种浆材试样中，最大误差为0. 85×10-7cm/ s，符合土工试验标准的规定。所以，根据浆材结石体渗透系数的大小，为了提高测试效率，采用高渗透压进行渗透系数测定是可行的、有效的。

3. 2 试样高度对渗透系数的影响

为确定试样高度对渗透系数的影响，采用SCF浆材和水泥浆制作了4 cm、7 cm、10 cm、13 cm和16 cm 5种不同高度试样，每组3个试样，养护若干天后进行渗透系数测试，每个试样测试3～5个数据求其平均值，测试结果见表4。

由表4可知，同一种材料制作不同高度的试样，在一定渗透压力下测得的渗透系数基本相同，其最大绝对误差值为0. 75×10-6cm/ s，符合土工试验标准的规定。因此，使用该仪器测定渗透系数时可不受试样高度限制，在柔壁渗透仪允许的40～160 mm范围内可任选，这对于防渗工程钻孔取样试验非常重要。

表2 两种渗透仪测试普通土样渗透系数对比试验

3. 3 试样直径对渗透系数的影响

为验证试样的渗透系数与其直径的关系，采用SCF浆材制备了直径6. 3 cm和10. 3 cm两种试样，养护一定时间后在不同渗透压下进行了渗透系数测试，测试结果见表5。

表5 不同直径试样渗透系数测试结果

由表5可知，两种不同直径的试样，在不同渗透压下测得的渗透系数基本相同，其最大绝对误差值为0. 66×10-6cm/ s，符合土工试验标准的规定。可见，使用该仪器测定渗透系数可不受试样直径限制，可在柔壁渗透仪允许范围内选择适合直径的试样进行试验，充分体现了灵活性。

3. 4 测试效率试验

通过上述对比试验结果可知，渗透压和试样尺寸对渗透系数的影响均在土工试验标准规定的范围内，所以可以选择适当的试样尺寸和渗透压进行渗透系数测试。根据式（1），有：

当试样尺寸确定后，试样的渗透系数应该是常数，所以渗透时间与渗透压力成反比，即提高渗透压测试时间应随之缩短。为此，采用SCF浆材和纯水泥浆制作了一批试样，养护若干天后在不同渗透压下进行渗透系数测试，每渗出1 mL测1个读数，每个试样测5个读数求其平均值作为该试样的渗透系数（纯水泥浆试样只测了1个读数）。每个试样在不同渗透压下测试消耗的时间见表6。

表6 不同渗透系数试样在不同渗透压下测试消耗时间

由表6可知，对同一试样来说，测试渗透系数消耗时间随着渗透压的增加而减少，特别是对于渗透系数为10-8、10-9数量级的低渗透系数试样，测试消耗时间减少得更明显，例如SC-3试样在50kPa渗透压下测试时间需19. 67 h，渗透压提高到300 kPa后，时间缩短到4. 05h，测试时间缩短近80%。可见，在高渗透压下可以准确、快速地完成低渗透系数试样的测试，可减少测试时间，提高测试效率，且能保证渗透系数的准确性和有效性。

4 结 论

a.柔壁渗透仪用于测试渗透系数小于1× 10-5cm/ s的水泥土样以及渗透系数小于1×10-6cm/ s的硬土样，其测试误差均符合GB/ T 50123—1999《土工试验方法标准》和SL237—1999《土工试验规程》的规定，柔壁渗透仪测试结果是准确和有效的，测试精度高于南-55型变水头渗透仪。

b.渗透压、试样高度与直径对柔壁渗透仪测试渗透系数影响甚微，使用柔壁渗透仪可以在适当范围内选择试样尺寸，并根据试样渗透系数选择较高的渗透压以快速完成渗透系数测试，提高测试效率。

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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 编辑：熊水斌）

作者简介：靖向党（1957—），男，教授，主要从事岩土注浆工艺与浆材研究。E-mail：jxd57@126. com

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（2013-310）

中图分类号：TU415

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0077 05