重塑飽和土水化學(xué)淋濾試驗(yàn)裝置的研制

紀(jì)超+++申浚滔

摘 要：針對(duì)混合法或浸泡法等室內(nèi)制樣法在制備土體遭受化學(xué)侵蝕后的試驗(yàn)土樣中的不足，在滲透儀的基礎(chǔ)上，采用耐腐蝕材料的304不銹鋼，自行研制了一款快速制備受化學(xué)侵蝕試樣的裝置。該儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，且密封性能好；能快速、準(zhǔn)確地替換孔隙溶液，縮短試驗(yàn)周期。為后續(xù)研究水土化學(xué)作用對(duì)土樣力學(xué)特性影響奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；制樣方法；水土化學(xué)作用

1 概述

目前，隨著工程建造與使用過程中的環(huán)境問題日益突出，越來越多的學(xué)者開始著手各種環(huán)境問題所產(chǎn)生的巖土工程問題，尤其是巖土體遭受化學(xué)侵蝕后的力學(xué)特性變化開始被重視[1-4]。但如何制備能有效模擬土體遭受化學(xué)侵蝕后的試驗(yàn)土樣成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。雖然原狀土樣能較真實(shí)地反映土體原始結(jié)構(gòu)，但受取樣技術(shù)的限制和環(huán)境的影響，其試驗(yàn)結(jié)果并不理想，離散性較大。相反，室內(nèi)制取化學(xué)侵蝕后的試驗(yàn)土樣，不僅性質(zhì)相對(duì)均勻和試驗(yàn)結(jié)果離散性較??；而且試樣的條件可控，便于特定的試驗(yàn)研究。調(diào)研大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行制備不同孔隙水化學(xué)成分的重塑飽和土試樣通常有三種方式：混合法、浸泡法以及淋濾法[5]?；旌戏m然能較快地達(dá)到化學(xué)平衡，但不能很好地模擬天然土體遭受化學(xué)侵蝕后力學(xué)性質(zhì)的變化；浸泡法主要是依賴擴(kuò)散作用改變土體孔隙水化學(xué)成分，但其過程十分緩慢，少則數(shù)周，多則數(shù)月，尤其是滲透系數(shù)小（泥漿制樣法制得的試樣）的土樣，制樣周期甚至更長(zhǎng)，且浸泡法很難判斷侵入土樣溶液中的化學(xué)濃度是否達(dá)到平衡。相比較而言，淋濾法通過強(qiáng)制置換土樣中的孔隙溶液，可以快速地到達(dá)所需的化學(xué)濃度，而且可以通過測(cè)量濾出液的濃度來判斷是否完成置換，彌補(bǔ)了上述兩種方法的不足。國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者致力于淋濾儀的研制[6，7]，雖然能較好的實(shí)現(xiàn)孔隙溶液的替換，但出于目的性不同，鮮有針對(duì)制備土工試驗(yàn)制樣的淋濾儀報(bào)道。為此，筆者在前人的基礎(chǔ)上對(duì)滲透儀進(jìn)行了新的改進(jìn)，研制出一款快速制備受化學(xué)侵蝕試樣的裝置，試用效果良好。

2 試驗(yàn)裝置的研制

新試驗(yàn)裝置由淋濾儀和滲流系統(tǒng)等兩大部分組成，淋濾儀主體如圖1所示。

2.1 淋濾儀

試驗(yàn)土樣在容器中進(jìn)行溶液替換時(shí)，原則上要求溶液透過土體且不允許土體發(fā)生膨脹變形。這就要求該容器具有良好的密封性和足夠的剛度，而且方便拆裝。因此，整個(gè)淋濾儀主要由蓋板、試樣套筒、緊固支架、底座及其它配件組成，如圖1所示?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境的特殊性（化學(xué)溶液的腐蝕性），采用抗腐蝕性能較好的304或316不銹鋼加工而成。

（1）試樣套筒：套筒是一中空?qǐng)A柱體，在其側(cè)壁設(shè)置有進(jìn)液孔和排氣孔，以及在套筒兩端分別設(shè)有兩道環(huán)形臺(tái)階，用于安置帶邊環(huán)刀。（2）緊固支架：包括兩根豎立支桿、中間帶有貫穿螺紋的橫梁和帶有旋轉(zhuǎn)手輪的螺旋桿；豎立支桿上端部與橫梁通過螺紋連接，豎立支桿下端部旋入底座上的螺紋孔中，通過手輪旋轉(zhuǎn)螺旋桿使蓋板、試樣套筒和底座緊固連接。（3）底座：底座是一種凹形圓臺(tái)，在凹形圓臺(tái)的側(cè)壁設(shè)置有底座出液孔，頂部由上到下分別設(shè)置有由大到小的3個(gè)環(huán)形凹槽用于放置試樣筒、O型密封圈和透水石，并在凹形圓臺(tái)的兩邊設(shè)置有供豎立支桿緊固的螺旋孔。（4）蓋板：在其側(cè)面設(shè)置出液孔，頂部中心設(shè)置有半球形凹槽，內(nèi)部設(shè)置有環(huán)形臺(tái)階。

2.2 滲流系統(tǒng)

滲流系統(tǒng)的功能是提供一個(gè)外部水頭差，使化學(xué)溶液能透過土體，替換掉土體原始的孔隙溶液成分，到達(dá)所需的化學(xué)濃度。本文參考土工試驗(yàn)中的滲透試驗(yàn)裝置，將集液瓶置于高處，淋濾儀置于低處，之間通過耐腐蝕的硅膠管相連。

3 土樣的制備與安裝

土樣通過擊實(shí)法或壓實(shí)法等，制備成高度為20mm，直徑為61.8mm的環(huán)刀樣，然后抽真空飽和。

裝樣時(shí)將試樣套筒橫放，先裝入一個(gè)環(huán)刀樣，然后將濕濾紙貼在試樣上表面，再嵌入上O型圈和放入透水石；再將上下面貼有濕濾紙的透水石放入試樣套筒內(nèi)，然后裝入另外一個(gè)環(huán)刀樣，貼濕濾紙于試樣上表面，再嵌入O型圈密封和透水石；最后將裝好的試樣套筒插入底座中，蓋上蓋板，旋轉(zhuǎn)螺旋桿，使蓋板、試樣套筒和底座緊固連接。

在集液瓶?jī)?nèi)裝入所需淋濾的濾液，將硅膠導(dǎo)管的一端與淋濾儀試樣筒中部的進(jìn)液孔相連接，打開硅膠導(dǎo)管的止水夾，讓濾液流入淋濾儀中，通過排氣孔排出淋濾儀中的空氣后，用止水夾夾緊試樣套筒的排氣孔，濾液透過上、下試樣開始淋濾。

4 試驗(yàn)裝置的檢定

用帶防蒸發(fā)功能的玻璃瓶承接從蓋板出液孔和底座出液孔淋濾出的濾液，并用電導(dǎo)率儀測(cè)量濾出液的導(dǎo)電率，對(duì)比濾出液導(dǎo)電率與淋濾液導(dǎo)電率的大小是否相接近，來判斷是否已經(jīng)淋濾完成。

5 結(jié)束語

本文研制的重塑飽和土水化學(xué)淋濾試驗(yàn)裝置性能良好，用途較廣，且具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）該儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，且密封性良好，不受蒸發(fā)的影響。（2）能快速、準(zhǔn)確地使孔隙溶液被替換為目標(biāo)溶液，一定程度上縮短了試驗(yàn)周期。（3）能有效模擬土體遭受化學(xué)侵蝕后的試驗(yàn)土樣，為后續(xù)開展力學(xué)試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王軍，曹平，趙延林，等.水土化學(xué)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，41（1）：245-250.

[2]畢仁能，項(xiàng)偉，郭義，等.庫岸滑坡黏性土與河水物理化學(xué)作用試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（7）：28-31.

[3]湯文，姚志賓，李邵軍，等.水化學(xué)作用對(duì)滑坡滑帶土的物理力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（10）：2885-2892.

[4]楊德歡，顏榮濤，韋昌富，等.粉質(zhì)黏土強(qiáng)度指標(biāo)的水化學(xué)敏感性研究[J].巖土力學(xué)，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]陳善雄，王緒民.土柱水化學(xué)淋濾試驗(yàn)試樣筒[P].中國(guó)：CN10173845

8A，2010-06-16.

[7]楊勝科，趙鉞，陳靜，等.一種全自動(dòng)土柱淋濾實(shí)驗(yàn)裝置[P].中國(guó)：CN102707035A，2012-10-03.