滲透固結裝置的研制及在實踐教學中的應用

張季如，曹承品

（武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070）

土的強度、變形和滲透特性是土力學研究的土的三個主要工程性質，三者之間通過有效應力原理聯系在一起，構成了經典土力學的理論體系[1]。固結是土體在外力作用下，內部應力變化引起體積變化，同時部分孔隙水從土中擠出的壓密過程。土的固結和滲透性關系密切，二者對土的工程性狀有很大影響，與建筑物地基的沉降、穩定和滲流等問題密切聯系，是大學土力學的理論教學和實踐環節中的重要內容之一。

土的固結特性可通過固結試驗來研究。傳統的固結儀具有結構簡單、操作簡便、成本低等優點，已被廣泛應用于工程試驗和土力學的實踐教學環節。但這種固結儀不能測定土的滲透系數，也不能測量固結過程中孔壓的變化規律。土的滲透系數可由滲透試驗來測定，但無論是常水頭還是變水頭的滲透試驗，均不能直接測定固結壓力下土的滲透系數。近年來引進的一些先進的多功能、全自動三軸試驗系統，雖然可以滿足相關試驗的要求，但儀器造價昂貴、操作復雜、使用成本高，而且數量有限，主要用于科研試驗。若用于教學試驗，主要也是演示性的，學生難有機會上機動手操作。

為了能夠測定土在固結過程中的滲透系數和孔壓變化，國內一些學者曾對傳統的固結儀進行改造[2-5]，使之具有開展固結試驗和滲透試驗的功能。改造后的這些試驗裝置基本滿足了功能要求，但在試驗數據的自動采集和分析處理等方面還有待提高。本文借鑒傳統固結儀的構造和前人經驗，研制了一種可自動采集孔壓的滲透固結裝置[6]，主要用于研究生的實踐教學和大學生科技創新活動，旨在培養學生的綜合性、創新性實驗技能。

1 滲透固結裝置

1.1 裝置的構成

滲透固結裝置由杠桿加載系統、固結筒、活塞、底座、孔壓計、百分表、進水管、出水管、變水頭管、供水瓶、計算機數據處理系統等構成，如圖1 所示。固結筒與底座通過固定裝置連接，能從底座上方便拆卸，便于清洗和維護。

圖1 滲透固結裝置的構成

1）杠桿加載系統。

滲透固結裝置的加載系統采用了傳統固結儀的杠桿式加載方式。考慮到滲透固結容器比傳統固結儀的固結容器更高，故將傳統固結儀的傳力鋼桿加長，替換成長度為45 cm 的傳力鋼桿。

2）滲透固結容器。

滲透固結容器由固結筒和活塞構成，均采用耐銹蝕的黃銅制作。固結筒高75 mm，外徑79 mm，內徑與活塞外徑相匹配。活塞直徑61.8 mm，高25 mm，活塞頂部的兩側各設一個排水孔和排氣孔。排氣孔可用螺母密封，排水孔用橡膠管與出水管連接。活塞側壁設有2 道凹槽，放置O 形密封圈，活塞底部設有十字形和環形壓槽，方便排水、排氣。

3）底座。

底座高25 mm，外徑140 mm，內徑與固結筒外徑相匹配。底座一端設有1 個G1/8 規格的螺栓孔，用來連接孔壓傳感器，另一端是進水管嘴，用橡膠管與進水管相連。底座上端邊沿處設有一道環形壓槽，用來放置O 形密封圈，其功能是加強底座與固結筒連接處的密封性能，防止連接處漏水。與活塞一樣，在底座上端的中心處，也開鑿了十字形和環形壓槽，方便水的流動。底座下端中心處設有一個定位槽，便于底座固定在加壓臺面上。

4）測量系統。

測量系統用于變形測量、水頭測量和孔壓測量。試樣的豎向固結變形采用百分表測量，精度0.001 mm，量程0~10 mm。水頭測量采用內徑6 mm、長度1 m、分度值1 mm 的玻璃管，玻璃管壁需厚度均勻，刻度清晰，并安放在靠近固結筒的位置，以減小管路阻力對滲透壓力造成的影響。孔壓的測量可采用YB-60A精密數顯孔壓計或者擴散硅精密數字壓力計，后者具有溫度自動補償、反應速度快的優點。孔壓計與底座接口的連接方式為螺口連接，在連接螺絲上纏繞生料帶，確保連接處不漏水、不漏氣。安裝好的滲透固結裝置見圖2。

圖2 滲透固結裝置

5）計算機數據處理系統。

孔壓計與計算機數據采集和處理系統連接，計算機可以自動記錄孔壓值和采樣時間，并導出Excel 文件。試驗中可以根據固結進程的不同，設置不同的采樣時間間隔。

1.2 裝置的密封性能設計

傳統固結儀的加壓蓋與固結筒內壁之間存在一定的縫隙，使得杠桿傳遞的壓力沒有阻力地施加于試樣，試樣中的水也可以順暢地自由排出，因此不能滿足滲透試驗條件。利用滲透固結裝置進行滲透試驗時，需要精確讀取變水頭管內水柱的高度，就必須保證滲透固結容器是密封的。在固結試驗中，荷載作用下活塞是一個運動體，會隨著試樣壓縮變形而向下位移，此時既要保證活塞與固結筒內壁之間的密封性能，不能漏水漏氣，又要盡可能減小活塞與固結筒壁之間的摩擦力，滿足荷載精度要求。

按照滲透固結裝置的密封性能要求，對活塞進行了特殊設計。如圖3 所示，在距離活塞底端0.6 和1.6 cm 處的活塞側壁上，加工了二道U 形槽，并在U形槽內安置了O 形密封圈，見圖3(a)。在活塞底部加工了十字形壓槽和二道環形壓槽，方便排水、排氣，見圖3(b)。

圖3 活塞構造

采用O 形橡膠密封圈雖然密封效果好，但也增大了活塞與固結筒內壁之間的摩擦力。經過試用多種材質的密封圈，發現硅膠材質的密封圈不僅能保證密封效果，而且與固結筒壁間的摩擦力也較小。為了進一步減小O 形密封圈與固結筒壁的摩擦力，在O 形密封圈和固結筒壁上涂抹適量的潤滑劑。經過對比試驗，顯示活塞與固結筒內壁的摩擦力降到了最小程度。

試驗前需通過活塞上的排氣孔，將殘留在滲透固結容器內的空氣排出，以免影響試驗結果。試樣安裝后對其進行預壓，此時排氣孔是開通的，可排出活塞底部與透水石之間的殘留空氣。試驗開始時，將排氣孔封閉。排氣孔采用小型螺母加O 形密封墊圈密封，擰開密封螺絲能正常排氣，擰緊密封螺絲能保證不漏水漏氣。

2 應用實例

2.1 實例一

在大學本科土力學課程教學中，有關飽和土在外力作用下的滲透固結原理通常采用圖4 的彈簧―活塞模型來解釋。模型由一個盛滿水的直立圓筒構成，上端裝入一個帶有彈簧的開孔活塞，圓筒側壁裝有一支測壓管。彈簧代表土的骨架，圓筒中的水代表土中自由水，活塞上開孔模擬土的滲透性。模型的工作原理如下：

（1）當活塞頂面驟然有外加應力σ作用，此時圓筒中的水來不及排出，彈簧尚未變形而沒有受力，彈簧應力σ′= 0，故外加應力等于圓筒中的水壓u（σ=u），此時測壓管水頭高度h=σ γw，其中γw為水的重度；

（2）隨著外加應力作用的延續，水從活塞開孔處不斷排出，活塞逐漸下降，彈簧開始壓縮并承擔部分外加應力，測壓管水頭不斷下降，水壓逐漸降低；

（3）當圓筒中的水不再排出時，活塞停止下降，彈簧承擔全部外加應力（σ σ′= ），測壓管水頭也降至與筒內水位平齊，外加應力引起的水壓降至零（u=0 ）。

圖4 彈簧―活塞模型

彈簧―活塞模型較為形象地刻畫了飽和土的滲透固結過程：

（1）在外力作用下土體固結開始的一瞬間（時間t=0），土體骨架尚未受力，粒間有效應力σ′=0 ，外力等于孔壓u；

（2）土的滲透固結過程中（0

（3）土的滲透固結完畢時（t=∞），土體骨架承受全部外力作用，孔壓完全消散，即σ=σ′，u=0。

由此可見，飽和土的滲透固結過程就是有效應力不斷增長，孔壓逐漸消散的過程。

在土工試驗課程教學中，過去利用傳統固結儀進行固結試驗，學生只能測量固結壓力與試樣變形，無法定量觀測固結過程中的排水狀況和孔壓的變化；所進行的滲透試驗也是無固結壓力下的滲透試驗。現在學生采用本文的滲透固結裝置，可開展不同固結壓力下的固結試驗和滲透試驗。首先進行某一級壓力下的固結試驗，測量試樣的豎向變形，通過計算機數據處理系統采集孔壓與固結時間的關系。當試樣不再變形，孔壓消散為零時，即可開始滲透試驗，開啟進水管閥，測量排水管里水量的變化，測得該固結壓力下的滲透系數。滲透試驗完畢后，再施加下一級固結壓力，進行相應的固結試驗和滲透試驗。如此往復，直至完成最后一級固結壓力下的固結試驗和滲透試驗。

圖5 為固結試驗中得到的不同固結壓力下孔壓隨固結時間的變化曲線，對照彈簧―活塞模型對飽和土滲透固結過程的闡釋，從中可發現幾個不同之處。

（1）孔壓并未在加載瞬間到達峰值，而是加載后有一個上升的爬坡階段，時間持續大約10~20 s 后到達峰值，意味著孔壓對外荷載的響應并非即時反應，而是存在著滯后效應。

（2）各級固結壓力作用下，孔壓峰值遠低于對應的固結壓力，與彈簧―活塞模型中表現出的加載瞬間固結壓力全部由孔隙水來承擔，孔壓等于固結壓力的特性相去甚遠。

圖5 孔壓隨固結時間的變化

實際上，孔壓對固結壓力響應的滯后現象并不罕見，許多學者在過去的試驗中也發現了類似的現象[4,7-10]。盡管如此，試驗現象與彈簧―活塞模型原理的反差仍引起學生的好奇。指導教師因勢利導，就該現象開展討論。學生廣泛查閱文獻資料，仔細分析試驗裝置和試驗過程，對孔壓響應滯后的原因，給出了幾種不同的意見：一是孔壓傳感器的敏感性不足，對孔壓的測量存在延遲效應；二是試樣透水性能差，試樣未完全飽和，透水石內含有氣泡等因素，使得孔壓傳遞受到阻礙，并認為土的滲透系數越小，孔壓延遲效應越明顯；三是試樣、活塞、透水石與固結筒內壁之間的摩擦力及瞬時加載引起的動力效應等，也是導致孔壓響應滯后的重要因素。通過討論，學生對孔壓滯后效應有了更深的了解。

對孔壓峰值遠低于固結壓力的現象，學生們認為：土樣難以達到完全飽和狀態，加載系統無法實現真正意義上的瞬時加載，傳感器測得的是試樣底部而非頂部的孔壓，活塞、透水石、試樣與固結筒壁之間的摩擦力抵消了一部分外加荷載等因素，都是導致孔壓峰值遠低于固結壓力的重要原因。通過討論，學生分析和解決問題的能力得到了提高。

2.2 實例二

在大學本科土力學理論教學中，太沙基的一維固結理論假設土的滲透系數為常數。在以往的土力學實踐教學環節中，固結試驗和滲透試驗一般是單獨進行的，做滲透試驗時也不考慮荷載的作用。因此，許多學生并不了解土的滲透性是會隨著土的固結變化的，更不掌握固結過程中土的滲透系數的變化規律。

在土工試驗教學中，指導教師要求學生對A、B、C 三種不同類型的土樣，按照初始孔隙比分別為1.1、1.6、2.1，制備了A1.1、A1.6、A2.1、B1.1、B1.6、B2.1、C1.1、C1.6、C2.1 等9 種不同性質的試樣，然后采用滲透固結裝置對這9 種試樣進行固結試驗和滲透試驗。在試驗中，學生直接測得了滲透系數與固結壓力、固結變形的關系，計算出了滲透系數與孔隙比、壓縮系數、壓縮指數、體積壓縮系數、固結系數等壓縮性指標之間的相關關系，總結出了滲透系數隨固結壓力、固結變形、固結系數的增大而減小，隨孔隙比、壓縮系數、壓縮指數、體積壓縮系數的增大而增大的變化規律。通過該試驗，學生牢固掌握了土的滲透性質與固結特性的關系。

在整理試驗數據過程中學生還發現，在不同的初始條件下，不同類型土樣的滲透系數的對數值隨孔隙比的變化均呈現近似的線性關系，如圖6 所示。他們對試驗數據進行回歸分析，得到了擬合直線的關系式，擬合度R2在0.891~0.992 之間，說明了滲透系數的對數值與孔隙比的直線關系顯著性水平較高。通過對試驗數據的分析，進一步加深了學生對土的固結和滲透性關系的認識，培養了學生科研思維和分析問題的能力。

圖6 滲透系數與孔隙比的關系

2.3 實例三

滲透固結裝置不僅在土工試驗教學中發揮出重要作用，同時還用于碩士研究生培養和大學生科技創新活動。例如，利用滲透固結裝置模擬現場預堆載作用下吹填土的滲透固結狀況，研究表明，適當的摻砂量可增大土體的滲透系數，加速吹填土的排水固結[11]；又如，針對南海島礁建設迫切需要了解海源吹填土的滲透固結性質，利用滲透固結裝置研究了不同初始條件下鈣質砂―黏土混合物的滲透固結特性[12]；再如，針對吹填土地基普遍存在砂含量分布不均、粗細粒共存、級配不連續的工程實際問題，利用滲透固結裝置研究了不同含砂量和砂粒徑大小對吹填土地基滲透固結特性的影響[13]。通過這些研究，學生完成了碩士學位論文，研究成果對工程實踐具有一定的參考價值。此外，一些本科生在科技創新活動中利用滲透固結裝置研究海源土的滲透固結特性，成功獲得了學校自主創新研究基金項目的支持。

3 結語

本文研制了一種滲透固結裝置，除了能夠交叉進行固結試驗和滲透試驗外，還能測定固結過程中試樣的滲透系數和孔壓的變化。裝置構造簡單，操作便捷，密封性能好。該裝置應用于研究生的土工試驗教學和大學生科技創新活動，促進了土力學理論與實踐教學的融合，加深了學生對土力學理論知識的理解，提高了學生分析和解決問題的能力，還培養了學生的科研思維和動手實踐能力。