孔隙水盐分置换固结装置的改造研制

张 彦 梁骁睿

（天津城建大学土木工程学院 300384）

孔隙水盐分置换固结装置的改造研制

张 彦 梁骁睿

（天津城建大学土木工程学院 300384）

海相软土沉积过程中孔隙水盐分较高，而随着地表或地下淡水的冲蚀，孔隙水盐分发生溶脱，土的物理力学特性发生会改变，但是目前研究较少。本文针对此问题，自行设计了换盐固结装置，使其具有以下功能和优点：仪器的密封性能好，可以收集土样孔隙水置换过程中排出的孔隙水， 漏水量小；通过三通阀可以控制排水条件，既可以进行单面排水试验，并在底部量测孔隙水压力的消散规律，也可以进行双面排水试验；可以同时进行固结试验、渗透试验，研究相关规律。

孔隙水盐分置换；固结特性；换盐固结装置

1.引言

目前关于滨海新区原状软黏土研究大多数没有考虑地下水盐分变迁对于土体工程性质的影响，少部分考虑孔隙水影响的多集中采用人工制备重塑土的测试方法，制样多采用烘干后的素土，根据需要的浓度配置不同比例的盐溶液，制成所需要的重塑土试样。此类试验中将盐分调配和固结试验分开进行，土中盐水浓度提前配置，无需考虑孔隙水盐分置换的问题。重塑过程中土体压缩特性等方面本就受到扰动，对研究结果有所影响，而展开针对原状软土工程特性的研究，又面临如何制样及测试试验过程中尽量减小扰动的问题，这就需要在试验中既考虑到孔隙水盐分置换，又要确保试样在进行孔隙水盐分溶脱后可以直接进行固结试验，以免对土样进行二次扰动而导致试验结果产生较大误差。基于此，笔者在前人基础上开发研制孔隙水盐分置换固结装置。

2.研制思路

2.1 拟改造试验装置的基本要求

传统固结试验需要提前制备好试样，一般试样尺寸高20mm，直径61.8mm，采用环刀取样法即可取得原状试样。一般来说，传统固结试验可以完美的测量土的压缩系数、压缩模量等参数，基本满足工程需要，但是这显然并不满足本文研究所需，如何解决固结试样之前的孔隙水抽取置换问题成为我们研制装置时需要解决的首要问题。通过查阅文献[1-8]，目前针对饱和软黏土的固结变形特性展开的研究，无可避免需要考虑外荷载下超孔隙水压力的消散问题，而无论是研究孔隙水压力或者孔隙水回流，都需要先将固结沉降过程中的孔隙水收集测量，遗憾的是目前传统实验室内的仪器设备都无法满足上述需要，所以很多学者基于上述思路对传统装置进行了改装，并初步研究得到了一些研究结论。了解了上述内容对于我们进行本文研究装置的改造还是很有帮助的，很明显，本文研究装置改造的关键步骤在于解决固结之前的原状土样孔隙水盐分置换，即既需要装置全程密封以避免对土样的扰动，又需要在土样装入装置之后且在土样固结之前进行孔隙水盐分置换，因此需要研制合适的仪器。笔者在上述讨论的基础上对传统固结仪器进行改造设计。

拟改造后的试验装置应该满足如下基本要求：

（1）可以完成本文研究内容，可以通过本装置对测试样进行孔隙水抽取、收集、量测，孔隙水盐分置换、测量以及固结试验。

（2）试验装置密封性能好，可以保证在孔隙水抽取、测量、置换以及固结过程确保土样没有扰动。

（3）试验容器有收纳装置能够收集到从土样中排出的孔隙水，并可以利用辅助手段测量孔隙水PH值、电导率、浓度等各参数值。测量过程不影响土样。

（4）土样和容器之间能够密切贴合，确保两者之间没有缝隙，试验装置不漏水，即确保水流在整个试验过程中能够且仅仅能够在土样中通过而不通过其他途径。

（5）试验系统应该确保密封性较高，即水分不被人为影响蒸发或者挥发。

（6）试验过程应在恒温下进行，以免温度变化对土样测试结果造成过大误差。

（7）改造后的试验装置能够利用常规固结仪的加荷系统，确保加压稳定。

（8）渗透试验确保土样不受压，固结试验确保土样可以承受上部荷载并发生压缩。

2.2 试验装置改造关键点及处理

室内土工试验中最需要注意的是确保试验精度，可以尽可能符合现场实际条件，因此如何减小试验误差，特别是减小人为误差就成为室内试验需要着重考虑的问题。对于本文试验过程而言，无论是在孔隙水置换过程还是随后进行的固结试验过程，减小误差的根本之处在于确保仪器密封性，确保原状土样制样装入仪器后尽可能密封紧密且不对其过多扰动，这样在一定程度上减小了误差对于结果的干扰。基于此，本装置设计过程中需要多考虑容易漏气、漏水的地方并对这些地方加以改进。

由装置简图（图1）可以看出，本装置需要防止的漏气漏水部分为：

（1）上部加荷装置的加压活塞部分与盛放土样的容器之间的密封；

（2）试样与盛放土样的容器相互之间的密封；

（3）连接收集水系统的导管与加压活塞连接处的密封。

（4）留有排出残余空气的通道，以防试验结果受参与空气影响。

解决办法如下：

（1）在试验装置的研制过程中，关于活塞与盛放土样容器之间的密封是最难解决的问题，因为加压活塞是一个运动体，其在受到外加荷载时，要随土样发生沉降或膨胀变形，这就要求活塞与盛放土样容器之间的摩擦力尽可能小，否则影响试验结果。根据已有研究结果[9-10]，通过动公差配合设计、活塞侧壁加密封圈与涂抹凡士林3种手段相结合，才解决了对加压活塞与盛放土样容器壁之间的密封问题。这样既能够使加压活塞在移动时受到的摩阻力很小，又能够保证整个土样处在密封状态。在此情况下，土样排出的孔隙水可以被准确地收集起来，为研究土样的回弹吸水作好了试验准备。

（2）土样与盛放土样容器之间的密闭问题相对来说比较容易。当土样受到外加垂直荷载时，将产生垂直变形与侧向变形，由于侧向变形受到限制，使得盛放土样容器的侧壁与土样之间将产生紧密贴合，这种土样与容器壁之间的紧密贴合也为准确量测土样底部的超孔隙水压力提供了保证。

（3）对于导管与加压活塞连接处，在设计连接时采用螺栓连接，在连接处通过缠绕胶带纸就可以保证在此处实现不漏气、漏水。

（4）在加压活塞的底部与透水石之间、透水石与盛土样容器底部之间都可能存在残余空气，排出残余空气通道的设计思路是将该通道留在加压活塞上面。该排气孔可以用小型螺母进行封闭，在装土样以前，该排气孔是开放的，装好土样以后，对土样进行预压，就可以将加压活塞的底部与透水石之间的残余空气排出，然后再用小型螺母进行封闭；透水石与盛土样容器底部之间的残余空气考虑采用1个三通阀来解决排气问题。

3.试验装置

本节描述根据研制思路所改装、研制的孔隙水置换固结试验装置。该试验装置主要由加荷系统、渗透固结容器、量测系统3个部分组成。

3.1 加荷系统

由去掉原容器部分的WG型单杠杆固结仪作为加荷系统，特点是加荷稳。

3.2 渗透固结容器

该部分由固结仪内筒、紧固螺环、固结仪底座、加压活塞组成。图 2为渗透固结容器示意图。

(1) 固结仪内筒：该部分作为盛置土样与活塞运动部分，外径为75 mm，内径为61.8 mm。上部截面积比下部稍大，作为放置土样时的导向环。在内筒底部侧壁上开一道U型槽，放置O型橡胶密封圈，用于防止从底部漏水。土样加荷后，侧向压力增加，使得土样与容器壁的贴合十分严密，消除了在装样过程中可能出现的土样与容器贴合不十分严密的现象。

(2) 紧固螺环：用于固定固结仪内筒与固结仪底座的装置。

(3) 固结仪底座：底座上有2个螺栓孔，与底座中心相通的可以通过连接水头或压力传感器来量测渗透系数或孔隙水压力，另一个通过连接测流管量测土样排水量。底部有1个容器定位槽，后方有1个量表支架座。

(4) 加压活塞：高度为25 mm，直径为 61.8 mm，顶部传压凹座两侧有1个排水孔和1个排气孔，装样完毕后用1个螺母封闭排气孔。活塞壁上有2道U 型槽，用于放置O型密封圈。由于活塞与容器壁之间有一定的摩阻力，影响对土样施加压力的数值，为此在未装土样前，先把容器置于固结系统上，在砝码一端徐徐加上少量砝码，直至杠杆即将失去平衡、活塞发生移动为止。

图2 渗透固结容器设计图

3.3 量测系统

(1) 测流系统的功能是在较短的观测时间内量测软黏土介质中排出水的数量，测流管是测流系统的关键部分。要求在短时间内准确反映出水量体积的微弱变化，并便于清洗，所以选择了滴定管做为测流管。其刻度为0.05cm3，可以反映液体体积的变化。

(2) 孔隙水压力量测。采用与孔压传感器相连的孔压数字仪来量测孔隙水压力。

(3) 变形量测。采用百分表来量测土样变形。由于试验所用土样有较强的腐蚀性，所以加工仪器所用材料为黄铜。

4.试验装置的检定

试验前，用高度为20 mm、直径为61.8 mm的环刀制样，并抽气饱和。试验时，先用紧固螺环将固结仪内筒固定到固结仪底座上，放入透水石和滤纸，打开与底座相连的三通阀在固结仪内筒内注满水；然后，将带有土样的环刀放在固结仪内筒的导环内，并用透水石轻轻把土样推入固结仪内筒，将加压活塞置于土样上，轻轻加压，待土样与透水石紧密贴紧后，拧紧封闭螺母，这样在土样顶部只有排水管与测流管相连。若关闭固结仪底座三通阀的排水管，土样底部就只与孔压传感器相连，此时，土样单面排水固结，可以量测土样底部孔隙水压力的消散；若关闭孔压阀门，则可以与排水管相连，可以进行双面排水固结试验以及孔隙水置换试验。其他试验方法同常规压缩试验。经初步测试检测，采用改造过的孔隙水置换固结装置可以很好完成本文拟做试验。

[1] 黄文熙. 土的工程性质[M].北京：水利水电出版社，1983

[2] 高国瑞. 近代土质学[M].南京：东南大学出版社，1990

[3] 殷宗泽. 土体的沉降与固结[M].北京：中国电力出版社，1998

[4] 杨顺安，冯晓腊，张聪辰.软土理论与工程[M].北京：地质出版社，2000

[5] 曹文炳，李克文，刘若兰.研究粘土释水和渗透特性的多用途固结试验装置[J].水文地质工程地质，1986，（4）：44～47

[6] 杜延龄，李春华，徐家海.研究饱和粘土渗透特性的试验装置[J].水利学报，1980，（4）：71～75

[7] 殷建华. 新双室三轴仪用于非饱和土体积变化的连续测量和三轴压缩试验[J].岩土工程学报，2002,24（5）：552～555

[8] 陈正汉，卢再华，蒲毅彬.非饱和土三轴仪的CT机配套及其应用[J].岩土工程学报，2001,23（4）：387～392

[9] 师旭超，汪稔，胡元育，等.渗透固结试验装置的研制[J].岩石力学与工程学报，2004,23（22）:3891～3895

[10] 孙俪云.渗透固结试验装置的改进[J].实验力学，2010

G322

B

1007-6344（2016）07-0304-02

2015年国家大学生创新创业训练计划项目“滨海盐渍化软土在孔隙水盐分溶脱环境的固结特性研究”（201510792005）；2015年天津城建大学大学生科研立项“考虑电极材料和排布方式的电渗加固软土优化试验研究”（150402）；天津城建大学2013年度教育教学改革与研究项目“土力学实验教学改革研究与实践”（JG-1357）

张彦（1980-），女，硕士，工程师/实验师，主要从事岩土工程、土力学实验等教学与科研工作。