張季如，曹承品

（武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

土的強(qiáng)度、變形和滲透特性是土力學(xué)研究的土的三個(gè)主要工程性質(zhì)，三者之間通過有效應(yīng)力原理聯(lián)系在一起，構(gòu)成了經(jīng)典土力學(xué)的理論體系[1]。固結(jié)是土體在外力作用下，內(nèi)部應(yīng)力變化引起體積變化，同時(shí)部分孔隙水從土中擠出的壓密過程。土的固結(jié)和滲透性關(guān)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(wěn)定和滲流等問題密切聯(lián)系，是大學(xué)土力學(xué)的理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中的重要內(nèi)容之一。

土的固結(jié)特性可通過固結(jié)試驗(yàn)來研究。傳統(tǒng)的固結(jié)儀具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工程試驗(yàn)和土力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。但這種固結(jié)儀不能測定土的滲透系數(shù)，也不能測量固結(jié)過程中孔壓的變化規(guī)律。土的滲透系數(shù)可由滲透試驗(yàn)來測定，但無論是常水頭還是變水頭的滲透試驗(yàn)，均不能直接測定固結(jié)壓力下土的滲透系數(shù)。近年來引進(jìn)的一些先進(jìn)的多功能、全自動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，雖然可以滿足相關(guān)試驗(yàn)的要求，但儀器造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜、使用成本高，而且數(shù)量有限，主要用于科研試驗(yàn)。若用于教學(xué)試驗(yàn)，主要也是演示性的，學(xué)生難有機(jī)會(huì)上機(jī)動(dòng)手操作。

為了能夠測定土在固結(jié)過程中的滲透系數(shù)和孔壓變化，國內(nèi)一些學(xué)者曾對傳統(tǒng)的固結(jié)儀進(jìn)行改造[2-5]，使之具有開展固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)的功能。改造后的這些試驗(yàn)裝置基本滿足了功能要求，但在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析處理等方面還有待提高。本文借鑒傳統(tǒng)固結(jié)儀的構(gòu)造和前人經(jīng)驗(yàn)，研制了一種可自動(dòng)采集孔壓的滲透固結(jié)裝置[6]，主要用于研究生的實(shí)踐教學(xué)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)技能。

1 滲透固結(jié)裝置

1.1 裝置的構(gòu)成

滲透固結(jié)裝置由杠桿加載系統(tǒng)、固結(jié)筒、活塞、底座、孔壓計(jì)、百分表、進(jìn)水管、出水管、變水頭管、供水瓶、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1 所示。固結(jié)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(hù)。

圖1 滲透固結(jié)裝置的構(gòu)成

1）杠桿加載系統(tǒng)。

滲透固結(jié)裝置的加載系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)固結(jié)儀的杠桿式加載方式?？紤]到滲透固結(jié)容器比傳統(tǒng)固結(jié)儀的固結(jié)容器更高，故將傳統(tǒng)固結(jié)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(jié)容器。

滲透固結(jié)容器由固結(jié)筒和活塞構(gòu)成，均采用耐銹蝕的黃銅制作。固結(jié)筒高75 mm，外徑79 mm，內(nèi)徑與活塞外徑相匹配?；钊睆?1.8 mm，高25 mm，活塞頂部的兩側(cè)各設(shè)一個(gè)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?；钊麄?cè)壁設(shè)有2 道凹槽，放置O 形密封圈，活塞底部設(shè)有十字形和環(huán)形壓槽，方便排水、排氣。

3）底座。

底座高25 mm，外徑140 mm，內(nèi)徑與固結(jié)筒外徑相匹配。底座一端設(shè)有1 個(gè)G1/8 規(guī)格的螺栓孔，用來連接孔壓傳感器，另一端是進(jìn)水管嘴，用橡膠管與進(jìn)水管相連。底座上端邊沿處設(shè)有一道環(huán)形壓槽，用來放置O 形密封圈，其功能是加強(qiáng)底座與固結(jié)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(huán)形壓槽，方便水的流動(dòng)。底座下端中心處設(shè)有一個(gè)定位槽，便于底座固定在加壓臺面上。

4）測量系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)用于變形測量、水頭測量和孔壓測量。試樣的豎向固結(jié)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(nèi)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(jié)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(shù)顯孔壓計(jì)或者擴(kuò)散硅精密數(shù)字壓力計(jì)，后者具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。孔壓計(jì)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(jié)裝置見圖2。

圖2 滲透固結(jié)裝置

5）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

孔壓計(jì)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)記錄孔壓值和采樣時(shí)間，并導(dǎo)出Excel 文件。試驗(yàn)中可以根據(jù)固結(jié)進(jìn)程的不同，設(shè)置不同的采樣時(shí)間間隔。

1.2 裝置的密封性能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)固結(jié)儀的加壓蓋與固結(jié)筒內(nèi)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(yàn)條件。利用滲透固結(jié)裝置進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí)，需要精確讀取變水頭管內(nèi)水柱的高度，就必須保證滲透固結(jié)容器是密封的。在固結(jié)試驗(yàn)中，荷載作用下活塞是一個(gè)運(yùn)動(dòng)體，會(huì)隨著試樣壓縮變形而向下位移，此時(shí)既要保證活塞與固結(jié)筒內(nèi)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(jié)筒壁之間的摩擦力，滿足荷載精度要求。

按照滲透固結(jié)裝置的密封性能要求，對活塞進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。如圖3 所示，在距離活塞底端0.6 和1.6 cm 處的活塞側(cè)壁上，加工了二道U 形槽，并在U形槽內(nèi)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(huán)形壓槽，方便排水、排氣，見圖3(b)。

圖3 活塞構(gòu)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(jié)筒內(nèi)壁之間的摩擦力。經(jīng)過試用多種材質(zhì)的密封圈，發(fā)現(xiàn)硅膠材質(zhì)的密封圈不僅能保證密封效果，而且與固結(jié)筒壁間的摩擦力也較小。為了進(jìn)一步減小O 形密封圈與固結(jié)筒壁的摩擦力，在O 形密封圈和固結(jié)筒壁上涂抹適量的潤滑劑。經(jīng)過對比試驗(yàn)，顯示活塞與固結(jié)筒內(nèi)壁的摩擦力降到了最小程度。

試驗(yàn)前需通過活塞上的排氣孔，將殘留在滲透固結(jié)容器內(nèi)的空氣排出，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。試樣安裝后對其進(jìn)行預(yù)壓，此時(shí)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(yàn)開始時(shí)，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(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)例一

在大學(xué)本科土力學(xué)課程教學(xué)中，有關(guān)飽和土在外力作用下的滲透固結(jié)原理通常采用圖4 的彈簧―活塞模型來解釋。模型由一個(gè)盛滿水的直立圓筒構(gòu)成，上端裝入一個(gè)帶有彈簧的開孔活塞，圓筒側(cè)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(dāng)活塞頂面驟然有外加應(yīng)力σ作用，此時(shí)圓筒中的水來不及排出，彈簧尚未變形而沒有受力，彈簧應(yīng)力σ′= 0，故外加應(yīng)力等于圓筒中的水壓u（σ=u），此時(shí)測壓管水頭高度h=σ γw，其中γw為水的重度；

（2）隨著外加應(yīng)力作用的延續(xù)，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(dān)部分外加應(yīng)力，測壓管水頭不斷下降，水壓逐漸降低；

（3）當(dāng)圓筒中的水不再排出時(shí)，活塞停止下降，彈簧承擔(dān)全部外加應(yīng)力（σ σ′= ），測壓管水頭也降至與筒內(nèi)水位平齊，外加應(yīng)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(jié)過程：

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

（2）土的滲透固結(jié)過程中（0

（3）土的滲透固結(jié)完畢時(shí)（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(jié)過程就是有效應(yīng)力不斷增長，孔壓逐漸消散的過程。

在土工試驗(yàn)課程教學(xué)中，過去利用傳統(tǒng)固結(jié)儀進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，學(xué)生只能測量固結(jié)壓力與試樣變形，無法定量觀測固結(jié)過程中的排水狀況和孔壓的變化；所進(jìn)行的滲透試驗(yàn)也是無固結(jié)壓力下的滲透試驗(yàn)?，F(xiàn)在學(xué)生采用本文的滲透固結(jié)裝置，可開展不同固結(jié)壓力下的固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。首先進(jìn)行某一級壓力下的固結(jié)試驗(yàn)，測量試樣的豎向變形，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集孔壓與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)試樣不再變形，孔壓消散為零時(shí)，即可開始滲透試驗(yàn)，開啟進(jìn)水管閥，測量排水管里水量的變化，測得該固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)。滲透試驗(yàn)完畢后，再施加下一級固結(jié)壓力，進(jìn)行相應(yīng)的固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。如此往復(fù)，直至完成最后一級固結(jié)壓力下的固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。

圖5 為固結(jié)試驗(yàn)中得到的不同固結(jié)壓力下孔壓隨固結(jié)時(shí)間的變化曲線，對照彈簧―活塞模型對飽和土滲透固結(jié)過程的闡釋，從中可發(fā)現(xiàn)幾個(gè)不同之處。

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

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

圖5 孔壓隨固結(jié)時(shí)間的變化

實(shí)際上，孔壓對固結(jié)壓力響應(yīng)的滯后現(xiàn)象并不罕見，許多學(xué)者在過去的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[4,7-10]。盡管如此，試驗(yàn)現(xiàn)象與彈簧―活塞模型原理的反差仍引起學(xué)生的好奇。指導(dǎo)教師因勢利導(dǎo)，就該現(xiàn)象開展討論。學(xué)生廣泛查閱文獻(xiàn)資料，仔細(xì)分析試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)過程，對孔壓響應(yīng)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(yīng)；二是試樣透水性能差，試樣未完全飽和，透水石內(nèi)含有氣泡等因素，使得孔壓傳遞受到阻礙，并認(rèn)為土的滲透系數(shù)越小，孔壓延遲效應(yīng)越明顯；三是試樣、活塞、透水石與固結(jié)筒內(nèi)壁之間的摩擦力及瞬時(shí)加載引起的動(dòng)力效應(yīng)等，也是導(dǎo)致孔壓響應(yīng)滯后的重要因素。通過討論，學(xué)生對孔壓滯后效應(yīng)有了更深的了解。

對孔壓峰值遠(yuǎn)低于固結(jié)壓力的現(xiàn)象，學(xué)生們認(rèn)為：土樣難以達(dá)到完全飽和狀態(tài)，加載系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的瞬時(shí)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(jié)筒壁之間的摩擦力抵消了一部分外加荷載等因素，都是導(dǎo)致孔壓峰值遠(yuǎn)低于固結(jié)壓力的重要原因。通過討論，學(xué)生分析和解決問題的能力得到了提高。

2.2 實(shí)例二

在大學(xué)本科土力學(xué)理論教學(xué)中，太沙基的一維固結(jié)理論假設(shè)土的滲透系數(shù)為常數(shù)。在以往的土力學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)一般是單獨(dú)進(jìn)行的，做滲透試驗(yàn)時(shí)也不考慮荷載的作用。因此，許多學(xué)生并不了解土的滲透性是會(huì)隨著土的固結(jié)變化的，更不掌握固結(jié)過程中土的滲透系數(shù)的變化規(guī)律。

在土工試驗(yàn)教學(xué)中，指導(dǎo)教師要求學(xué)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(zhì)的試樣，然后采用滲透固結(jié)裝置對這9 種試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，學(xué)生直接測得了滲透系數(shù)與固結(jié)壓力、固結(jié)變形的關(guān)系，計(jì)算出了滲透系數(shù)與孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、體積壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等壓縮性指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，總結(jié)出了滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力、固結(jié)變形、固結(jié)系數(shù)的增大而減小，隨孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、體積壓縮系數(shù)的增大而增大的變化規(guī)律。通過該試驗(yàn)，學(xué)生牢固掌握了土的滲透性質(zhì)與固結(jié)特性的關(guān)系。

在整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)過程中學(xué)生還發(fā)現(xiàn)，在不同的初始條件下，不同類型土樣的滲透系數(shù)的對數(shù)值隨孔隙比的變化均呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系，如圖6 所示。他們對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了擬合直線的關(guān)系式，擬合度R2在0.891~0.992 之間，說明了滲透系數(shù)的對數(shù)值與孔隙比的直線關(guān)系顯著性水平較高。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步加深了學(xué)生對土的固結(jié)和滲透性關(guān)系的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生科研思維和分析問題的能力。

圖6 滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

2.3 實(shí)例三

滲透固結(jié)裝置不僅在土工試驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮出重要作用，同時(shí)還用于碩士研究生培養(yǎng)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)。例如，利用滲透固結(jié)裝置模擬現(xiàn)場預(yù)堆載作用下吹填土的滲透固結(jié)狀況，研究表明，適當(dāng)?shù)膿缴傲靠稍龃笸馏w的滲透系數(shù)，加速吹填土的排水固結(jié)[11]；又如，針對南海島礁建設(shè)迫切需要了解海源吹填土的滲透固結(jié)性質(zhì)，利用滲透固結(jié)裝置研究了不同初始條件下鈣質(zhì)砂―黏土混合物的滲透固結(jié)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(xì)粒共存、級配不連續(xù)的工程實(shí)際問題，利用滲透固結(jié)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(jié)特性的影響[13]。通過這些研究，學(xué)生完成了碩士學(xué)位論文，研究成果對工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。此外，一些本科生在科技創(chuàng)新活動(dòng)中利用滲透固結(jié)裝置研究海源土的滲透固結(jié)特性，成功獲得了學(xué)校自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目的支持。

3 結(jié)語

本文研制了一種滲透固結(jié)裝置，除了能夠交叉進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)外，還能測定固結(jié)過程中試樣的滲透系數(shù)和孔壓的變化。裝置構(gòu)造簡單，操作便捷，密封性能好。該裝置應(yīng)用于研究生的土工試驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，促進(jìn)了土力學(xué)理論與實(shí)踐教學(xué)的融合，加深了學(xué)生對土力學(xué)理論知識的理解，提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，還培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。