重塑饱和土水化学淋滤试验装置的研制

纪超+++申浚滔

摘 要：针对混合法或浸泡法等室内制样法在制备土体遭受化学侵蚀后的试验土样中的不足，在渗透仪的基础上，采用耐腐蚀材料的304不锈钢，自行研制了一款快速制备受化学侵蚀试样的装置。该仪器具有以下优点：结构简单、操作简便，且密封性能好；能快速、准确地替换孔隙溶液，缩短试验周期。为后续研究水土化学作用对土样力学特性影响奠定了良好的基础。

关键词：土力学；制样方法；水土化学作用

1 概述

目前，随着工程建造与使用过程中的环境问题日益突出，越来越多的学者开始着手各种环境问题所产生的岩土工程问题，尤其是岩土体遭受化学侵蚀后的力学特性变化开始被重视[1-4]。但如何制备能有效模拟土体遭受化学侵蚀后的试验土样成为了一个关键问题。虽然原状土样能较真实地反映土体原始结构，但受取样技术的限制和环境的影响，其试验结果并不理想，离散性较大。相反，室内制取化学侵蚀后的试验土样，不仅性质相对均匀和试验结果离散性较小；而且试样的条件可控，便于特定的试验研究。调研大量文献发现，现行制备不同孔隙水化学成分的重塑饱和土试样通常有三种方式：混合法、浸泡法以及淋滤法[5]。混合法虽然能较快地达到化学平衡，但不能很好地模拟天然土体遭受化学侵蚀后力学性质的变化；浸泡法主要是依赖扩散作用改变土体孔隙水化学成分，但其过程十分缓慢，少则数周，多则数月，尤其是渗透系数小（泥浆制样法制得的试样）的土样，制样周期甚至更长，且浸泡法很难判断侵入土样溶液中的化学浓度是否达到平衡。相比较而言，淋滤法通过强制置换土样中的孔隙溶液，可以快速地到达所需的化学浓度，而且可以通过测量滤出液的浓度来判断是否完成置换，弥补了上述两种方法的不足。国内外有不少学者致力于淋滤仪的研制[6，7]，虽然能较好的实现孔隙溶液的替换，但出于目的性不同，鲜有针对制备土工试验制样的淋滤仪报道。为此，笔者在前人的基础上对渗透仪进行了新的改进，研制出一款快速制备受化学侵蚀试样的装置，试用效果良好。

2 试验装置的研制

新试验装置由淋滤仪和渗流系统等两大部分组成，淋滤仪主体如图1所示。

2.1 淋滤仪

试验土样在容器中进行溶液替换时，原则上要求溶液透过土体且不允许土体发生膨胀变形。这就要求该容器具有良好的密封性和足够的刚度，而且方便拆装。因此，整个淋滤仪主要由盖板、试样套筒、紧固支架、底座及其它配件组成，如图1所示。考虑到试验环境的特殊性（化学溶液的腐蚀性），采用抗腐蚀性能较好的304或316不锈钢加工而成。

（1）试样套筒：套筒是一中空圆柱体，在其侧壁设置有进液孔和排气孔，以及在套筒两端分别设有两道环形台阶，用于安置带边环刀。（2）紧固支架：包括两根竖立支杆、中间带有贯穿螺纹的横梁和带有旋转手轮的螺旋杆；竖立支杆上端部与横梁通过螺纹连接，竖立支杆下端部旋入底座上的螺纹孔中，通过手轮旋转螺旋杆使盖板、试样套筒和底座紧固连接。（3）底座：底座是一种凹形圆台，在凹形圆台的侧壁设置有底座出液孔，顶部由上到下分别设置有由大到小的3个环形凹槽用于放置试样筒、O型密封圈和透水石，并在凹形圆台的两边设置有供竖立支杆紧固的螺旋孔。（4）盖板：在其侧面设置出液孔，顶部中心设置有半球形凹槽，内部设置有环形台阶。

2.2 渗流系统

渗流系统的功能是提供一个外部水头差，使化学溶液能透过土体，替换掉土体原始的孔隙溶液成分，到达所需的化学浓度。本文参考土工试验中的渗透试验装置，将集液瓶置于高处，淋滤仪置于低处，之间通过耐腐蚀的硅胶管相连。

3 土样的制备与安装

土样通过击实法或压实法等，制备成高度为20mm，直径为61.8mm的环刀样，然后抽真空饱和。

装样时将试样套筒横放，先装入一个环刀样，然后将湿滤纸贴在试样上表面，再嵌入上O型圈和放入透水石；再将上下面贴有湿滤纸的透水石放入试样套筒内，然后装入另外一个环刀样，贴湿滤纸于试样上表面，再嵌入O型圈密封和透水石；最后将装好的试样套筒插入底座中，盖上盖板，旋转螺旋杆，使盖板、试样套筒和底座紧固连接。

在集液瓶内装入所需淋滤的滤液，将硅胶导管的一端与淋滤仪试样筒中部的进液孔相连接，打开硅胶导管的止水夹，让滤液流入淋滤仪中，通过排气孔排出淋滤仪中的空气后，用止水夹夹紧试样套筒的排气孔，滤液透过上、下试样开始淋滤。

4 试验装置的检定

用带防蒸发功能的玻璃瓶承接从盖板出液孔和底座出液孔淋滤出的滤液，并用电导率仪测量滤出液的导电率，对比滤出液导电率与淋滤液导电率的大小是否相接近，来判断是否已经淋滤完成。

5 结束语

本文研制的重塑饱和土水化学淋滤试验装置性能良好，用途较广，且具有以下主要优点：（1）该仪器构造简单，操作简便，且密封性良好，不受蒸发的影响。（2）能快速、准确地使孔隙溶液被替换为目标溶液，一定程度上缩短了试验周期。（3）能有效模拟土体遭受化学侵蚀后的试验土样，为后续开展力学试验奠定了良好的基础。

参考文献

[1]王军，曹平，赵延林，等.水土化学作用对土体抗剪强度的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2010，41（1）：245-250.

[2]毕仁能，项伟，郭义，等.库岸滑坡黏性土与河水物理化学作用试验研究[J].长江科学院院报，2011，28（7）：28-31.

[3]汤文，姚志宾，李邵军，等.水化学作用对滑坡滑带土的物理力学特性影响试验研究[J].岩土力学，2016，37（10）：2885-2892.

[4]楊德欢，颜荣涛，韦昌富，等.粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究[J].岩土力学，2016，37（12）：3529-3536.

[5]Deng Y F， Cui Y J， Tang A M， et al. Investigating the pore-water chemistry effects on the volume change behaviour of Boom clay[J]. Physics and Chemistry of the Earth， Parts A/B/C， 2011， 36（17）：1905-1912.

[6]陈善雄，王绪民.土柱水化学淋滤试验试样筒[P].中国：CN10173845

8A，2010-06-16.

[7]杨胜科，赵钺，陈静，等.一种全自动土柱淋滤实验装置[P].中国：CN102707035A，2012-10-03.