改進(jìn)型滲壓儀的研制與實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

吳曉峰， 吳 玥， 袁聚云

(同濟(jì)大學(xué) a. 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

?

·儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)·

改進(jìn)型滲壓儀的研制與實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

吳曉峰a， 吳 玥b， 袁聚云a

(同濟(jì)大學(xué) a. 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

為了提高滲透試驗(yàn)的效率和精度，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的主觀能動(dòng)性，設(shè)計(jì)出一款改進(jìn)型滲壓儀。該儀器基于巖土工程實(shí)驗(yàn)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(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集試樣的軸向變形，通過(guò)計(jì)算機(jī)模塊控制試驗(yàn)、整理數(shù)據(jù)。通過(guò)與普通滲壓儀對(duì)某地軟黏土滲透性的對(duì)比，采用3種先期固結(jié)壓力和兩種滲透壓力加載方式，驗(yàn)證改進(jìn)型儀器的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：軟黏土的滲透系數(shù)隨先期固結(jié)壓力的增大而減小，受滲透壓力的影響很小。改進(jìn)型滲壓儀的操作簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠、精度高，測(cè)量時(shí)間短，功能多樣化，不但能滿足科研和教學(xué)需要，同時(shí)提高了測(cè)試效率和學(xué)生動(dòng)手操作能力。

滲透系數(shù)； 滲壓儀； GDS加壓控制器； 固結(jié)

0 引 言

巖土工程實(shí)踐中，常需了解土體的滲透性，如基坑開(kāi)挖排水，結(jié)合土體滲透性配置排水設(shè)備[1]；修筑土石壩、邊坡，要考慮填料的滲透性[2]；計(jì)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(huì)引發(fā)流沙、管涌等現(xiàn)象，對(duì)地下水資源保護(hù)和工程的安全等有不可忽視的作用[4-5]。

在現(xiàn)代土力學(xué)的科研或教學(xué)實(shí)踐中，滲透系數(shù)常作為土壤材料的重要物理性質(zhì)參數(shù)被測(cè)試。傳統(tǒng)的滲透系數(shù)測(cè)量方法主要為常水頭和變水頭滲透實(shí)驗(yàn)法[6]，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法。而后，許多學(xué)者對(duì)改進(jìn)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(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、效率低、精度差、不利于誤差分析、實(shí)驗(yàn)操作步驟繁雜等缺點(diǎn)[12-15]。

在巖土工程實(shí)驗(yàn)室常用QY1-3型滲壓儀的基礎(chǔ)上，采用GDS控制器進(jìn)行滲透壓力的加載，由位移傳感器對(duì)固結(jié)過(guò)程試樣的軸向變形進(jìn)行測(cè)量和采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模塊進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)控制，實(shí)時(shí)顯示試樣軸向變形、滲透壓力和流量，自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。改進(jìn)后的滲壓儀設(shè)備測(cè)量時(shí)間短、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和自動(dòng)化程度高。

1 改進(jìn)型滲壓儀的原理

傳統(tǒng)的QY1-3型滲壓儀通過(guò)氣壓加載固結(jié)和滲透壓力，使用指針型圓盤壓力表顯示數(shù)值，旋轉(zhuǎn)閥門控制壓力大小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，靠人工掐表記錄時(shí)間，人眼讀取指針刻度和體變管液面高度的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。上述方法導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)操作繁雜，測(cè)試結(jié)果很大程度受到實(shí)驗(yàn)人員的主觀操作方式影響，數(shù)據(jù)誤差大。

本文對(duì)原有儀器的滲透加壓、數(shù)據(jù)采集、控制方式等功能做了優(yōu)化和改進(jìn)，改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置主要由加荷系統(tǒng)、滲壓加載系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，通過(guò)氣壓加載固結(jié)，液壓控制滲流，其原理見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)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(guò)氣壓控制閥調(diào)節(jié)壓力大小，由氣壓表讀取數(shù)值，滿足固結(jié)過(guò)程的要求。容器內(nèi)有被兩片圓形透水石夾住的土樣。滲透過(guò)程中，進(jìn)水管為下部透水石供水施加滲透壓力。位移表可以實(shí)時(shí)測(cè)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(jìn)行滲透壓力的加載。GDS控制器可以通過(guò)自行輸入目標(biāo)值的方式控制壓力，也可以與控制系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模塊的數(shù)字化控制。GDS控制器的加壓范圍為0～2 MPa，擴(kuò)大了滲透系數(shù)的測(cè)量范圍，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)滲壓儀無(wú)法測(cè)量高密度材料的不足。

1.3 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)匯總位移表采集到的試樣變形數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)模塊并顯示。常規(guī)固結(jié)過(guò)程通過(guò)人工采集，誤差大，而靜態(tài)應(yīng)變系統(tǒng)的使用提高了固結(jié)試驗(yàn)的效率和精確性。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為一臺(tái)加入編程模塊的計(jì)算機(jī)，具備滲壓控制和數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)模塊與GDS控制器相連，計(jì)算控制滲透壓力的加載和滲流體積的大小(見(jiàn)圖2)，壓力加載既可以是瞬間壓力增大，也可以輸入加載時(shí)間進(jìn)行緩慢線性加載。另外，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集滲透壓力、滲流體積，并自動(dòng)儲(chǔ)存(見(jiàn)圖3)。

圖2 控制系統(tǒng)原理示意圖

圖3 控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

改進(jìn)型滲壓儀可以同時(shí)滿足室內(nèi)常規(guī)固結(jié)實(shí)驗(yàn)和滲透實(shí)驗(yàn)的要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行壓力控制和數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便。

2 改進(jìn)型滲壓儀的實(shí)驗(yàn)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(fù)雜離子對(duì)測(cè)試的干擾，實(shí)驗(yàn)中均使用去離子水。

(2) 排氣。將水導(dǎo)入滲壓容器，使整個(gè)管路及容器內(nèi)透水石得到充分排氣并飽和。排氣的方式有兩種：①僅打開(kāi)水箱閥門，利用大氣壓力進(jìn)行降水排氣；②通過(guò)GDS控制器的排水操作進(jìn)行排氣。排氣結(jié)束后，關(guān)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(nèi)，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(jié)過(guò)程。安裝位移表并與應(yīng)變測(cè)試儀相連，打開(kāi)計(jì)算機(jī)的位移采集模塊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求施加固結(jié)壓力，同步進(jìn)行位移采集，完成固結(jié)實(shí)驗(yàn)。

(5) 滲透過(guò)程。待試樣固結(jié)穩(wěn)定后，儲(chǔ)存位移采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉位移采集模塊。打開(kāi)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(diǎn)擊開(kāi)始鍵施加壓力，同時(shí)模塊自動(dòng)采集滲透壓力和流量并儲(chǔ)存。

如果需要測(cè)量土樣在固結(jié)過(guò)程中的滲透系數(shù)，或者施加不同滲透壓力過(guò)程中的固結(jié)影響，可以按照上述試驗(yàn)方法，將固結(jié)和滲透過(guò)程組合操作。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)改進(jìn)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(duì)象，采用改進(jìn)型滲壓儀與QY1-3型滲壓儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，方案如表1所示。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

施加滲透壓力后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄時(shí)間t，滲透壓力p和滲出液體的體積Q。根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出試樣的滲透系數(shù)k[16-17]，即：

(1)

式中：k為某一溫度時(shí)的滲透系數(shù)，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(shí)間ts內(nèi)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(shí)間，s。

3.2 固結(jié)壓力與滲透壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響

由圖4可知，不同固結(jié)壓力作用的土樣，滲透系數(shù)在滲流開(kāi)始的1 000 s趨于平衡，固結(jié)壓力越大，滲透系數(shù)越小。圖5顯示，固結(jié)壓力與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)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(shù)關(guān)系曲線。加載之始，滲透系數(shù)不穩(wěn)定，待到穩(wěn)定后，滲透系數(shù)隨滲透壓力的變化不明顯，可見(jiàn)小于破壞土樣微觀結(jié)構(gòu)的滲透壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響很小，符合滲透試驗(yàn)規(guī)范要求。

圖4 不同固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)曲線

圖5 滲透系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系

圖6 線性加載滲透壓力實(shí)驗(yàn)

3.3 與原來(lái)儀器的試驗(yàn)對(duì)比

使用QY1-3型滲壓儀，在相同參數(shù)條件下進(jìn)行滲壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)，QY1-3型滲壓儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較零散，規(guī)律性差，而且實(shí)驗(yàn)方法由實(shí)驗(yàn)人員控制，人為因素增加了采集數(shù)據(jù)難度。相比，改進(jìn)型滲壓儀的測(cè)試效率更高，操作過(guò)程更加便捷。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7 QY1-3型滲壓儀對(duì)比實(shí)驗(yàn)

表2 改進(jìn)型滲壓儀與QY1-3型滲壓儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)3種不同固結(jié)壓力的試驗(yàn)，2種儀器測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)誤差最大值為0.43×10-8cm/s，遠(yuǎn)小于滲透試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的(±2×10-n)cm/s(按照量級(jí)表述，本實(shí)驗(yàn)中n=8)，所以改進(jìn)型滲透儀用于滲透試驗(yàn)是可行的，符合規(guī)范中的實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)GDS控制器加載滲透壓力，可在較大范圍內(nèi)選擇并提高滲透壓力，解決了一般滲透儀無(wú)法測(cè)試高密實(shí)試樣的難題。加快了實(shí)驗(yàn)速度，提高了測(cè)試效率。采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)瞬間或線性加載壓力，而且減少了實(shí)驗(yàn)讀數(shù)的主觀人為因素，提高了實(shí)驗(yàn)的精度，操作更加便捷，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。室內(nèi)應(yīng)用和對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的改進(jìn)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(xué)生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、加壓方式和實(shí)驗(yàn)方法，自行設(shè)計(jì)、選擇不同的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn), 提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

[1] 王春波，丁文其，陳志國(guó)，等. 超深基坑工程滲流耦合理論研究進(jìn)展[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，42(2)：238-245.

[2] 王一漢，陳云鵬，劉建華. 降雨入滲對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定性影響的分析研究[J]. 公路工程，2012，37(3)：99-110.

[3] 董志良，陳平山，莫海鴻，等. 真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)的影響[J]. 巖土力學(xué)，2010，31(5)：1452-1456.

[4] 陳崇希. 地下水不穩(wěn)定井流計(jì)算方法[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1983：18-24.

[5] 雅·貝爾. 地下水水力學(xué)[M]. 許涓銘譯. 北京：地質(zhì)出版社，1985.

[6] 袁聚云. 巖土體測(cè)試技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：56-72.

[7] 李清富，張 鵬，曹宏亮. 高壓土工滲透儀的研制與探討[J]. 水利水電技術(shù)，2005，36(2)：71-73.

[8] 靖向黨，于 波，謝俊革. 柔壁滲透儀的試驗(yàn)研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(9)：28-31.

[9] 葉為民，酒 淼，齊子元，等. 新型多功能滲透儀與達(dá)西定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2010，29(7)：108-110.

[10] 吳勝軍，王桂堯，付 強(qiáng)，等. 變水頭壓力滲透儀的研制及應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，7(3)：25-30.

[11] 呂 杰，陳植華，龔 星. 測(cè)定土壤飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法與結(jié)果優(yōu)化[J]. 安全與環(huán)境工程，2013，20(5)：144-162.

[12] Mohamed T. A permeameter for unsaturated soil [J]. Transport in Porous Media, 1991, 6 (2): 101-114.

[13] 陳 江，陳宗宇，王 瑩. 弱透水層中地下水化學(xué)滲透效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 水文，2014，34(6)：45-48，8.

[14] Sai K V, Vinod K G, Patrick B. A modified permeameter for determination of unsaturated coefficient of permeability [J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2007, 25(2): 191-202.

[15] Reynolds W D, Jeffrey K L. A drive point application of the Guelph Permeameter method for coarse-textured soils [J]. Geoderma, 2012, 187-188: 59-66.

[16] Mohammed A K, Benali K, Rachid K,etal. Simulation of water filtration in porous zone based on Darcy’s law[J]. Energy Procedia, 2013, 36: 163-168.

[17] Du X, Ostoja S M. On the size of representative volume element for Darcy law in random media [J]. Proceedings of the Royal Society A, 2006, 462(2074): 2949-2963.

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(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51008228)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)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(shí)驗(yàn)研究。

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

TU 411

A

1006-7167(2016)02-0049-03