李喜安 薛 泉 龐 濤 郭澤澤③ 師建鋒

( ①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院 西安 710054)

( ②國(guó)土資源部巖土工程開放研究實(shí)驗(yàn)室 西安 710054)

( ③中冶成都勘察研究總院有限公司 成都 610023)

0 引 言

馬蘭黃土因平面分布連續(xù)性好、厚度相對(duì)較大且位于黃土剖面的上部，因此與各類工程關(guān)系較為密切( Li et al.，2017) 。由于馬蘭黃土水理性質(zhì)特殊，水敏性極強(qiáng)，因此其滲透特性對(duì)土體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性至關(guān)重要( 洪勃等，2018) ，從而也在很大程度上影響甚至決定著建在其上的建構(gòu)筑物的安全。目前對(duì)于黃土滲透性的測(cè)定主要有兩類方法，一類是利用滲透儀進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定方法; 另一類是利用單環(huán)法或雙環(huán)法等野外原位測(cè)定方法( 趙寬耀等，2018) 。由于黃土具有濕陷性、崩解性等水理性質(zhì)而不可避免地會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)滲透試驗(yàn)對(duì)試樣原始微結(jié)構(gòu)的損壞，從而在進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí)不得不制備平行試樣; 由于單環(huán)法或雙環(huán)法等野外原位試驗(yàn)過程緩慢，且必須同時(shí)準(zhǔn)備充足的水，這些缺點(diǎn)都給滲透性的測(cè)定帶來不便。鑒于黃土滲透性的重要性，在科研和生產(chǎn)中亟需一種能夠迅速測(cè)得土體或土樣滲透性指標(biāo)的方法。正因?yàn)槿绱?，近年來陸續(xù)有學(xué)者在滲氣率相關(guān)方面開始了一些嘗試性研究。Rodeck等通過研究發(fā)現(xiàn)土壤顆粒尺寸、分布等對(duì)滲氣性的影響顯著( Shawm et al.，1994) 。劉龍波等( 2002) 研究發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土的滲氣特性與孔隙度和含水率有著顯著關(guān)系。Moon et al. ( 2008) 研究發(fā)現(xiàn)非飽和土的結(jié)構(gòu)和孔隙特征對(duì)滲氣性有顯著的影響。Chief et al.( 2008) 研究燃燒與未燃燒土發(fā)現(xiàn)滲氣率多與土體顆粒、孔隙、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。劉奉銀等( 2010) 通過研究認(rèn)為飽和度較低時(shí)增濕對(duì)滲氣率的影響不大。彭爾興等( 2016) 發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)含砂細(xì)粒土滲氣率急劇減小。李春海等( 2016) 研究發(fā)現(xiàn)其低飽和度離石黃土的滲氣率受起始?jí)毫Φ挠绊戄^大，而對(duì)高飽和度離石黃土滲氣率的影響較小。

我們以往的研究表明( 劉錦陽等，2017，2018) ，馬蘭黃土的滲透性與滲氣性之間有十分良好的關(guān)系，且滲氣率的測(cè)定則具有測(cè)量迅速簡(jiǎn)單、對(duì)試樣損害較小、可重復(fù)對(duì)同一試樣進(jìn)行試驗(yàn)等諸多方面的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，在黃土滲氣率測(cè)定方面，大多采用室內(nèi)滲氣率測(cè)定的方法，對(duì)于原位測(cè)定方法涉及甚少。原位試驗(yàn)測(cè)定方法具有不擾動(dòng)地層、能反映地層實(shí)際情況等優(yōu)點(diǎn)，因此非常值得對(duì)該方法開展研究。

為此，本文利用改進(jìn)的原位滲氣率測(cè)定儀和室內(nèi)滲氣率測(cè)定儀對(duì)不同地區(qū)的原位黃土地層及原狀馬蘭黃土試樣的滲氣率進(jìn)行了測(cè)量，依據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)黃土顆粒粒徑、孔隙比、含水率等因素對(duì)滲氣率的影響規(guī)律及其機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 試驗(yàn)方法原理及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法原理

本次試驗(yàn)采用的滲氣儀是在ZC-2015 型滲氣儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，通過增加一個(gè)10 000 mL 的真空氣罐將原先的儲(chǔ)氣室體積擴(kuò)大10 倍。測(cè)量原理為通過抽真空階段在儀器系統(tǒng)內(nèi)部形成與外界大氣壓有負(fù)壓差的條件，然后進(jìn)行變壓差測(cè)量。測(cè)量過程中空氣通過土樣進(jìn)入儀器內(nèi)部，裝置內(nèi)的水柱在壓差的作用下通過測(cè)量點(diǎn)，利用測(cè)量點(diǎn)記錄的時(shí)間數(shù)

圖1 改進(jìn)的滲氣儀構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig. 1 Structure diagram of the improved air permeameter

據(jù)計(jì)算得出土樣的滲氣率。試驗(yàn)儀器如圖1 所示。使用軸向室內(nèi)試驗(yàn)裝置( a) 進(jìn)行室內(nèi)馬蘭黃土地層原狀土滲氣試驗(yàn)( 劉錦陽等，2017，2018; 李喜安等，2018) ，使用新研發(fā)的接觸式探頭( b) 進(jìn)行馬蘭

黃土地層原位試驗(yàn)。原位試驗(yàn)需在測(cè)量區(qū)域先清理

出較為平整干凈的待測(cè)土樣表層，再給探頭密封罩涂密封劑并輕壓于待測(cè)土樣表面保證測(cè)量過程中探

頭密封良好。

1.2 滲氣率的計(jì)算公式

室內(nèi)滲氣試驗(yàn)滲氣率的計(jì)算方法參照劉錦陽等的方法計(jì)算( 劉錦陽等，2017) ，計(jì)算公式為:

式中，k 為氣體滲透系數(shù)( m2) ; h0為P0點(diǎn)水柱對(duì)應(yīng)的刻度( cm) ; h 為任一時(shí)刻t 水柱高度為h( cm) ; E 為空氣黏滯系數(shù)( Pa·s) ; L 為氣體滲徑( m) ; A 為氣體滲透面積( m2) ; Vs為閉密系統(tǒng)的體積( m3) ; Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓( Pa) 。

圖2 探頭滲透儀氣流示意圖Fig. 2 Probeair Permeameter flow diagram

原位滲氣試驗(yàn)選擇最適合黃土地層的接觸式探頭進(jìn)行，其最早由Dykstra et al. ( 1950) 提出，Eijpe et al. ( 1971) 等對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充。本研究采用與Goggin et al. ( 1988) 和Waal et al. ( 1998) 在原位滲氣測(cè)量中使用的物理計(jì)算模型基本一致的假設(shè)條件，計(jì)算模型如圖2 所示。其中假設(shè)滲氣吸盤的密封區(qū)域內(nèi)半徑為ra外半徑為rb，所使用探頭的中央部分進(jìn)入密封圈的氣體壓力恒為Pinj，樣品其余部分為大氣壓Patm，閉密系統(tǒng)的體積仍為Vs。假設(shè)探頭下的物質(zhì)孔隙率、滲透率等因素皆為常數(shù)，壓縮因子Z 取值接近1，則忽略氣體黏滯系數(shù)隨壓力的變化可能。因氣室中氣體的總體積遠(yuǎn)大于氣體通過滲透排除去的部分體積，所以假定該滲流狀態(tài)為偽穩(wěn)態(tài)流。則土體內(nèi)的氣體流動(dòng)方程與Forchheimer 方程相符，即:其中，kg為經(jīng)Klinkenberg 方程修正后的氣體滲透系數(shù); |( ρu) |為矢量長(zhǎng)度。

考慮幾何因子的影響，將進(jìn)入試驗(yàn)土體空間的氣流視為球形井流，引入Darcy 滲流的幾何因子G0和非Darcy 滲流的幾何因子GND，則方程為:

根據(jù)Selvadurai et al.( 2010) 在研究中接觸式探頭的Darcy 幾何因子在ra=3，rb=8 的條件下G0=4.78，GND=4.2。其中ρinjqinj為氣體質(zhì)量流速，其值為:

將氣體質(zhì)量流速值帶入Forchheimer 方程可得與慣性系數(shù)β 有關(guān)的方程式，整理得:

其中，Vs為閉密系統(tǒng)的體積( m) ; μ 為動(dòng)力黏滯系數(shù)，在20 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下值為1.81×105iPa·s; k 為土體有效氣體滲透系數(shù)( m2) ; R=8.314 J·( mol·K)－1為氣體常數(shù); T 為測(cè)量環(huán)境溫度; M 為氣體相對(duì)分子質(zhì)量( kg·mol－1) 。

對(duì)于低速滲流氣體，慣性系數(shù)可忽略不計(jì)，即β=0。將公式對(duì)時(shí)間( t0，t) 積分，則計(jì)算公式簡(jiǎn)化為:

其中，s 為對(duì)數(shù)壓力函數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線斜率，即為:

1.3 試驗(yàn)方案

為對(duì)比研究原位滲氣率測(cè)量方法和室內(nèi)滲氣率測(cè)量方法，在甘肅黑方臺(tái)、陜西西安、陜西延安等( 圖3) 3 個(gè)地點(diǎn)分別取得典型的原狀馬蘭黃土試樣，同時(shí)采用兩種方法進(jìn)行滲氣率測(cè)量并對(duì)比測(cè)量結(jié)果，以分析顆粒粒徑、孔隙比、含水率等因素對(duì)滲氣率的影響規(guī)律及其機(jī)理。所取黃土試樣的基本物理指標(biāo)如表1 所示。

圖3 取樣點(diǎn)分布圖Fig. 3 Sampling point distribution map

選擇黑方臺(tái)典型潛蝕黃土場(chǎng)地如圖3 所示，場(chǎng)地內(nèi)存在諸多大小不一的潛蝕洞穴和多條貫穿的濕陷裂縫( 隙) ，場(chǎng)地中的探槽兩側(cè)剖面圖( 圖5) 。采用原位滲氣率測(cè)量方法，選擇穿過不同濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴的測(cè)線1 和測(cè)線2，以及不穿過濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴但與探槽垂直的測(cè)線3 進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，據(jù)此研究濕陷裂縫( 隙) 、潛蝕洞穴和探槽對(duì)滲氣率的影響。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 室內(nèi)與原位滲氣試驗(yàn)

由于新研發(fā)的黃土原位滲氣率試驗(yàn)探頭是首次使用，因此為了驗(yàn)證原位滲氣率試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將原位滲氣試驗(yàn)的結(jié)果與室內(nèi)滲氣試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖5 所示。兩種方法測(cè)得的滲氣率結(jié)果在x/y=1 直線附近，說明原位滲氣率的試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。在延安、西安、黑方臺(tái)共30 個(gè)測(cè)量點(diǎn)( 試樣)中，原位滲氣率和室內(nèi)滲氣率測(cè)量結(jié)果偏離最大的是黑方臺(tái)2 個(gè)試樣，兩者滲氣率的測(cè)量結(jié)果分別為0.593 μm2和0.580 μm2、0.669 μm2和0.633 μm2，后者是前者的1.36 倍和1.32 倍，且均為滲氣率偏向高值時(shí)才產(chǎn)生的差異。分析認(rèn)為這是本身結(jié)構(gòu)就相對(duì)更為疏松的黃土在取樣、運(yùn)輸及室內(nèi)制樣過程中受到了擾動(dòng)所致。這2 個(gè)稍有誤差的結(jié)果相對(duì)于30 個(gè)測(cè)量點(diǎn)來說是極個(gè)別現(xiàn)象，因此不但不影響原位滲氣率測(cè)試結(jié)果的可靠性，而且其誤差原因分析對(duì)我們帶來的啟示是: 未經(jīng)人為擾動(dòng)的原位土體結(jié)構(gòu)由于相對(duì)致密和穩(wěn)定，也更能反映黃土地層的真實(shí)情況，所以在條件具備的情況下，宜優(yōu)先選取原位滲氣率的測(cè)量方法。

表1 黃土試樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of soil

圖4 潛蝕場(chǎng)地平面分布圖( a) 及探槽東壁( b) 、西壁剖面圖( c)Fig. 4 Plane map of the eclipse site( left) ，the east wall section of the trench( middle) and the west wall section of the trench( right)

圖5 室內(nèi)原狀黃土與原位黃土滲氣率測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of air permeability measurement result between indoor undisturbed loess and in situ loess

陜西西安、延安和甘肅黑方臺(tái)不同深度室內(nèi)原狀黃土和原位黃土滲氣率測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。由圖可知黑方臺(tái)黃土滲氣率最大，西安黃土滲氣率最小，這與黑方臺(tái)黃土的顆粒相對(duì)較粗、級(jí)配相對(duì)較差、孔隙比相對(duì)較大有關(guān)。由圖6 同樣可以看出隨著取樣深度的增加滲氣率有逐漸減小的趨勢(shì)，這與以往得出的研究結(jié)果一致( 劉錦陽等，2017) ，其原因是由于黃土地層中一般情況下孔隙比隨深度增加而減小，含水率隨深度的增加而增大( 石蘭君等，2018) ，導(dǎo)致滲氣率一般隨深度逐漸減小。其中延安4 m 深度處黃土相較于其他深度顆粒細(xì)，孔隙少，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，導(dǎo)致滲氣率相對(duì)較低。

圖6 室內(nèi)原狀黃土與原位黃土滲氣率測(cè)量結(jié)果Fig. 6 Gas permeability measurement result of indoor undisturbed loess and in situ loess

2.2 黃土地層原位滲氣試驗(yàn)

室內(nèi)滲氣率測(cè)量只能針對(duì)質(zhì)地較為均勻的試樣，而實(shí)際黃土地層中黃土并非完全均質(zhì)。對(duì)于濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴較為發(fā)育的黃土場(chǎng)地，由于濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴附近的黃土較為疏松，在這些部位取原狀樣比較困難，且試樣在運(yùn)輸過程中極易受到擾動(dòng)，因此室內(nèi)滲氣率測(cè)量方法在這種情況下難以應(yīng)用。為揭示濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴對(duì)黃土地層滲氣率的影響規(guī)律，本文采用原位滲氣率的測(cè)量方法對(duì)圖4 所示典型濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴發(fā)育場(chǎng)地進(jìn)行滲氣率測(cè)量。

由測(cè)線1 各測(cè)點(diǎn)滲氣率測(cè)量結(jié)果( 圖7) 可以看出，非洞穴裂隙帶各測(cè)點(diǎn)的滲氣率在均值0.584 μm2附近波動(dòng)。測(cè)線1 約14 m 處測(cè)點(diǎn)位于兩條裂縫交匯處，該處土體經(jīng)裂隙擾動(dòng)破碎導(dǎo)致孔隙多而大，滲氣率達(dá)到整條測(cè)線的峰值為0.776 μm2。洞穴裂隙帶中的其他測(cè)點(diǎn)，因接近裂隙及洞穴導(dǎo)致原地層土體擾動(dòng)破碎而使得各測(cè)點(diǎn)的滲氣率明顯大于非洞穴裂隙帶各測(cè)點(diǎn)滲氣率。由測(cè)線2 各測(cè)點(diǎn)滲氣率測(cè)量結(jié)果可以看出( 圖8) ，各測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律與測(cè)線1 基本一致。非裂隙帶的滲氣率平均值為0.573 μm2，在約18 m 處的裂縫交匯位置滲氣率達(dá)到峰值為0.736 μm2。

圖7 測(cè)線1 滲氣率變化曲線Fig. 7 Line 1 gas permeability rate curve

圖8 測(cè)線2 滲氣率變化曲線Fig. 8 Line 2 gas permeability rate curve

由測(cè)線3 各測(cè)點(diǎn)滲氣率測(cè)量結(jié)果可以看出( 圖9) ，測(cè)線3 所有測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的滲氣率值中，位于探槽西壁、探槽東壁附近的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的滲氣率值最大，分別為0.821 μm2和0.762 μm2，而距離探槽壁越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)滲氣率值越小，當(dāng)距離超過約2 m 時(shí)滲氣率值趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為這一現(xiàn)象的本質(zhì)是由于探槽壁臨空面的存在使得探槽壁周圍土體內(nèi)部應(yīng)力重分布，卸荷節(jié)理裂隙隨之發(fā)育，加之由于臨空面及其附近卸荷節(jié)理裂隙的存在使得探槽壁周圍土體含水率及溫度頻繁波動(dòng)，風(fēng)化作用相對(duì)較強(qiáng)，其結(jié)果使得土體更為疏松而滲氣率增大。另外，從所有3 條測(cè)線的滲氣率值對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，由于探槽的開挖而導(dǎo)致的滲氣率的最大增量約0.24 μm2，明顯超過潛蝕場(chǎng)地因洞穴和濕陷裂縫存在而導(dǎo)致的滲氣率最大增量約0.19 μm2，當(dāng)在原位滲氣率的有效測(cè)量范圍內(nèi)出現(xiàn)一側(cè)臨空面時(shí)，氣體會(huì)優(yōu)先選擇通過臨空面快速滲透，且該臨空面又因風(fēng)化、節(jié)理等作用導(dǎo)致疏松破碎，使得探槽引起的黃土滲氣率相對(duì)增量更為明顯。

圖9 測(cè)線3 滲氣率變化曲線Fig. 9 Line 3 gas permeability rate curve

3 結(jié) 論

通過本文研究，可以得出以下結(jié)論:

(1) 對(duì)室內(nèi)滲氣率測(cè)定方法和原位滲氣率測(cè)定方法的原理進(jìn)行了介紹。兩種方法對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在排除試樣擾動(dòng)因素干擾的情況下，原狀黃土室內(nèi)滲氣試驗(yàn)與原位滲氣試驗(yàn)獲得的結(jié)果基本一致，原位滲氣試驗(yàn)的結(jié)果是可靠的。

(2) 兩種試驗(yàn)結(jié)果均表明，黃土顆粒粒徑及級(jí)配、孔隙比、含水率是影響黃土滲氣率的主要因素。粗顆粒愈多級(jí)配愈差( 孔隙比相應(yīng)愈大) 、含水率愈低，滲氣率愈大，反之滲氣率則愈小。在含水率相同的條件下，不同地區(qū)滲氣率的差異主要與粗顆粒含量及級(jí)配有關(guān)。同一地點(diǎn)隨取樣深度增加滲氣率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其原因主要是由于孔隙比隨深度增加而減小、含水率隨深度增加而增加所致。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)表明，黃土地層結(jié)構(gòu)對(duì)滲氣率具有顯著的影響。潛蝕洞穴裂隙和探槽附近各測(cè)點(diǎn)的滲氣率明顯偏大，而遠(yuǎn)離潛蝕洞穴裂隙和探槽的各測(cè)點(diǎn)滲氣率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這是由于潛蝕洞穴裂隙的形成和對(duì)原始黃土地層結(jié)構(gòu)在一定程度上產(chǎn)生了擾動(dòng)，孔隙比增大，滲氣率增大。由于探槽的開挖加劇了黃土地層的風(fēng)化作用，且臨空面的產(chǎn)生進(jìn)一步加快了氣體滲透的速度，所以探槽開挖導(dǎo)致的滲氣率增量大于洞穴裂隙存在導(dǎo)致的滲氣率增量。

(4) 由于原位滲氣率測(cè)量方法在最大程度上避免了取樣、運(yùn)輸、制樣等過程的擾動(dòng)影響，且測(cè)量過程快速便捷，因此在條件具備的情況下，宜盡量?jī)?yōu)先選取原位滲氣試驗(yàn)方法?；谠粷B氣率的測(cè)量方法在評(píng)價(jià)黃土地層滲透性乃至依據(jù)滲透性來評(píng)價(jià)黃土地層結(jié)構(gòu)缺陷( 如隱伏節(jié)理裂隙、潛蝕洞穴的發(fā)育程度) 等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。