重塑飽和土水化學淋濾試驗裝置的研制

紀超+++申浚滔

摘 要：針對混合法或浸泡法等室內制樣法在制備土體遭受化學侵蝕后的試驗土樣中的不足，在滲透儀的基礎上，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侵蝕試樣的裝置。該儀器具有以下優點：結構簡單、操作簡便，且密封性能好；能快速、準確地替換孔隙溶液，縮短試驗周期。為后續研究水土化學作用對土樣力學特性影響奠定了良好的基礎。

關鍵詞：土力學；制樣方法；水土化學作用

1 概述

目前，隨著工程建造與使用過程中的環境問題日益突出，越來越多的學者開始著手各種環境問題所產生的巖土工程問題，尤其是巖土體遭受化學侵蝕后的力學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侵蝕后的試驗土樣成為了一個關鍵問題。雖然原狀土樣能較真實地反映土體原始結構，但受取樣技術的限制和環境的影響，其試驗結果并不理想，離散性較大。相反，室內制取化學侵蝕后的試驗土樣，不僅性質相對均勻和試驗結果離散性較小；而且試樣的條件可控，便于特定的試驗研究。調研大量文獻發現，現行制備不同孔隙水化學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]。混合法雖然能較快地達到化學平衡，但不能很好地模擬天然土體遭受化學侵蝕后力學性質的變化；浸泡法主要是依賴擴散作用改變土體孔隙水化學成分，但其過程十分緩慢，少則數周，多則數月，尤其是滲透系數小（泥漿制樣法制得的試樣）的土樣，制樣周期甚至更長，且浸泡法很難判斷侵入土樣溶液中的化學濃度是否達到平衡。相比較而言，淋濾法通過強制置換土樣中的孔隙溶液，可以快速地到達所需的化學濃度，而且可以通過測量濾出液的濃度來判斷是否完成置換，彌補了上述兩種方法的不足。國內外有不少學者致力于淋濾儀的研制[6，7]，雖然能較好的實現孔隙溶液的替換，但出于目的性不同，鮮有針對制備土工試驗制樣的淋濾儀報道。為此，筆者在前人的基礎上對滲透儀進行了新的改進，研制出一款快速制備受化學侵蝕試樣的裝置，試用效果良好。

2 試驗裝置的研制

新試驗裝置由淋濾儀和滲流系統等兩大部分組成，淋濾儀主體如圖1所示。

2.1 淋濾儀

試驗土樣在容器中進行溶液替換時，原則上要求溶液透過土體且不允許土體發生膨脹變形。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。考慮到試驗環境的特殊性（化學溶液的腐蝕性），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：套筒是一中空圓柱體，在其側壁設置有進液孔和排氣孔，以及在套筒兩端分別設有兩道環形臺階，用于安置帶邊環刀。（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，在凹形圓臺的側壁設置有底座出液孔，頂部由上到下分別設置有由大到小的3個環形凹槽用于放置試樣筒、O型密封圈和透水石，并在凹形圓臺的兩邊設置有供豎立支桿緊固的螺旋孔。（4）蓋板：在其側面設置出液孔，頂部中心設置有半球形凹槽，內部設置有環形臺階。

2.2 滲流系統

滲流系統的功能是提供一個外部水頭差，使化學溶液能透過土體，替換掉土體原始的孔隙溶液成分，到達所需的化學濃度。本文參考土工試驗中的滲透試驗裝置，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

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

裝樣時將試樣套筒橫放，先裝入一個環刀樣，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，然后裝入另外一個環刀樣，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，旋轉螺旋桿，使蓋板、試樣套筒和底座緊固連接。

在集液瓶內裝入所需淋濾的濾液，將硅膠導管的一端與淋濾儀試樣筒中部的進液孔相連接，打開硅膠導管的止水夾，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 試驗裝置的檢定

用帶防蒸發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，并用電導率儀測量濾出液的導電率，對比濾出液導電率與淋濾液導電率的大小是否相接近，來判斷是否已經淋濾完成。

5 結束語

本文研制的重塑飽和土水化學淋濾試驗裝置性能良好，用途較廣，且具有以下主要優點：（1）該儀器構造簡單，操作簡便，且密封性良好，不受蒸發的影響。（2）能快速、準確地使孔隙溶液被替換為目標溶液，一定程度上縮短了試驗周期。（3）能有效模擬土體遭受化學侵蝕后的試驗土樣，為后續開展力學試驗奠定了良好的基礎。

參考文獻

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8A，2010-06-16.

[7]楊勝科，趙鉞，陳靜，等.一種全自動土柱淋濾實驗裝置[P].中國：CN102707035A，2012-10-03.