Microsoft Word - 28师旭超改正27.doc

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萱郝
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1 第 3 卷第期岩石力学与工程学报 3():3891~ 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.,004 * 渗透固结试验装置的研制师旭超 1, 汪稔胡元育韩阳 ( 1 河南工业大学建筑工程系郑州 45005) ( 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室武汉 ) 1 摘要利用传统的固结仪进行的土工试验可以很好地满足工程需要, 但是对软粘土进行深入研究却有明显的不足通过对固结仪的改装, 使其具有以下功能和优点 : 仪器的密封性能好, 可以收集土样固结过程中排出的孔隙水, 漏水量小 ; 通过三通阀可以控制排水条件, 既可以进行单面排水试验, 并在底部量测孔隙水压力的消散规律, 也可以进行双面排水试验 ; 可以同时进行固结试验渗透试验, 研究在外加荷载作用下土样的渗透特性关键词土力学, 改装固结仪, 固结, 渗透, 变形分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 (004) DEVELOPMENT OF OSMOTIC OEDOMETER Shi Xuchao 1,,Wang Ren,Hu Yuanyu,Han Yang 1 ( 1 Department of Civil Engineering,Henan University of Technology, Zhengzhou China) ( Institute of Rock and Soil Mechanics,The Chinese Academy of Sciences, Wuhan China) Abstract The traditional oedometer can meet the basic engineering demand. But it has shortage in researching on the soft clay soil. By modifying the traditional oedometer,the osmotic oedometer is developed which has some new functions and merits as following:it has good watertight behavior and can capture water during consolidation of soil specimen. By controlling the drainage condition through the triple valve,not only the single drainage test can be done and the pore water pressure on the bottom can be measured,but also the double drainage test can be conducted. The consolidation tests and permeability tests can be carried out at the same time,and the permeability characteristics of the soil specimen under different load can be studied. Key words soil mechanics,modified oedometer,consolidation,seepage,deformation 1 前言利用传统的固结仪进行的土工试验可以很好地满足工程需要, 但是对软粘土进行深入研究却有明显的不足 [1] 要深入研究饱和软粘土的固结变形特性, 必须研究在外加荷载作用下超孔隙水压力的消散情况 ; 要研究卸荷作用下孔隙水的回流问题, 必须先将固结沉降过程中土样所挤出的孔隙水收集起来, 很显然传统的固结装置不能满足这些需要 [,3] 目前在实验室内没有合适的仪器来研究上述几个问题通过查阅文献, 发现已有学者对传统固结装置进行了改装 [4~6], 但主要思路是从孔隙水压力的量测着手, 关于固结排水过程中水的收集以及土的卸荷吸水论述还不多, 主要原因在于装置的密封问题要更深入地研究软粘土的变形特性与机理, 需要研制适合的仪器 [7~10] 笔者在前人的基础上对固结仪进行了新的改装 003 年 7 月日收到初稿,003 年 10 月 16 日收到修改稿 * 北京市重点实验室开放基金 (EESR00-5) 资助项目作者师旭超简介 : 男,1973 年生, 博士,1997 年毕业于河北建筑科技学院资源开发与建设系土木工程专业, 现为讲师, 主要从事岩土工程城市生命线的防灾减灾等方面的教学与研究工作

2 389 岩石力学与工程学报 004 年试验装置的研制.1 研制思路新改装的仪器装置需满足以下基本要求 : (1) 可以量测土样的变形底部孔隙水压力的消散, 能够收集土样在固结沉降过程中排出的孔隙水, 以便研究土样卸荷回弹时的吸水规律 ; () 加荷系统加压稳定出力大 ; (3) 渗透固结容器密封性好, 保证从土样中排出的微量水能完全进入测流管 ; (4) 土样与容器之间应密切贴合, 不能有缝隙漏水, 要保证在整个试验过程中水流只能在土样中通过 ; (5) 整个试验系统是密封的, 不受蒸发的影响, 同时试验应在恒温下进行, 以免温度变化对试验造成影响图 1 为改装固结仪 ( 即渗透固结试验装置 ) 的示意图由图 1 可知, 该装置应该基本具有以下几部分 :(1) 加荷装置 : 其中包括出力装置与加压活塞个部分 ;() 存放土样的装置 ;(3) 收集水的装置 ; (4) 量测孔隙水压力装置土样加压活塞盛放土样容器排气孔加荷系统连接收集水系统连接收集水系统或连接孔压量测装置图 1 渗透固结试验装置的示意图 Fig.1 The sketch map of osmotic oedometer 在土工试验中, 要保证试验的精度, 就应该最大限度地减小误差, 由于本文主要是研究孔隙水回流和超孔隙水压力的量测问题, 所以新的渗透固结试验装置的密封在试验过程中显得尤为重要, 凡是有可能漏气漏水的地方都要考虑密封的问题由图 1 可以看出需要防止漏气漏水部分为 : (1) 加压活塞与盛放土样的容器之间的密封 ; () 土样与盛放土样的容器之间的密闭 ; (3) 连接收集水系统的导管与加压活塞连接处透水石的密封如何保证上述几个部分的密封或密闭是本次研究的重点, 下面讨论关于这几部分的密封办法与措施 : 土样与盛放土样容器之间的密闭问题相对来说比较容易当土样受到外加垂直荷载时, 将产生垂直变形与侧向变形, 由于侧向变形受到限制, 使得盛放土样容器的侧壁与土样之间将产生紧密贴合, 这种土样与容器壁之间的紧密贴合也为准确量测土样底部的超孔隙水压力提供了保证对于导管与加压活塞连接处, 在设计连接时采用螺栓连接, 在连接处通过缠绕胶带纸就可以保证在此处实现不漏气漏水在试验装置的研制过程中, 关于活塞与盛放土样容器之间的密封是最难解决的问题, 因为加压活塞是一个运动体, 其在受到外加荷载时, 要随土样发生沉降或膨胀变形, 这就要求活塞与盛放土样容器之间的摩擦力尽可能小, 否则影响试验结果所以在研制改装过程中既要保证密封, 又要减小摩擦力, 笔者先后采用了 3 种方法 : (1) 方法 1: 动公差配合设计在机械设计理论中, 对于活塞的运动一般采用动公差配合设计方法, 但对于本试验采用动公差配合设计并不能保证活塞与盛放土样容器之间的密封, 仍然有很多水从活塞侧壁逸出, 不能满足试验要求 () 方法 : 动公差配合设计与加密封圈相结合由于动公差配合设计不能满足试验要求, 所以在此基础上考虑在活塞壁上加道 U 型槽, 在 U 型槽内设置 O 型橡胶密封圈, 由于密封圈与盛放土样容器壁之间存在摩阻力, 需要在试验前预先平衡掉通过试验发现仍有少量小水珠从活塞侧壁逸出, 仍然没有达到试验要求, 这就要求对该部分考虑新的密封方式 (3) 方法 3: 动公差配合设计加密封圈与涂抹黄油相结合在以上种方式仍没有解决问题的情况下, 需要在此基础上继续改进并采取新的措施经过实践发现, 采取对活塞壁涂抹黄油方式可以很好地解决漏水问题, 而且还在很大程度上减小了密封圈与盛放土样容器壁之间的摩阻力, 表 1 为 3 种方法试验结果对比土样高度为 0 mm, 面积为 30 cm, 收集的水量为土样沉降 1 mm 时排出的水量可以说, 通过动公差配合设计活塞侧壁加密封圈与涂抹黄

3 第 3 卷第期师旭超等. 渗透固结试验装置的研制 3893 油 3 种手段相结合, 才解决了对加压活塞与盛放土样容器壁之间的密封问题这样既能够使加压活塞在移动时受到的摩阻力很小, 又能够保证整个土样处在密封状态在此情况下, 土样排出的孔隙水可以被准确地收集起来, 为研究土样的回弹吸水作好了试验准备表 1 3 种方法试验结果对比 Table 1 The experiment results of the three methods 方法收集水量 /cm 3 摩阻力 /kpa 新的渗透固结试验装置不仅要保证密封, 还应该在试验前保证将试验系统内的残余空气排出去, 否则, 在外加荷载作用下, 残余空气的存在必将影响试验结果, 使得到的结论不可信, 所以, 在新的渗透固结试验装置中还应该留有排出残余空气的通道由图 1 可知, 加压活塞的底部与透水石之间透水石与盛土样容器底部之间都可能存在残余空气, 排出残余空气通道的设计思路是将该通道留在加压活塞上面该排气孔可以用小型螺母进行封闭, 在装土样以前, 该排气孔是开放的, 装好土样以后, 对土样进行预压, 就可以将加压活塞的底部与透水石之间的残余空气排出, 然后再用小型螺母进行封闭 ; 透水石与盛土样容器底部之间的残余空气考虑采用 1 个三通阀来解决排气问题从机械加工与试验实际操作方法方面考虑, 将盛放土样容器分开设计, 即分为固结仪内筒与固结仪底座个部分, 再通过一固定装置固定即可. 试验装置本节描述根据研制思路所改装研制的渗透固结试验装置该试验装置主要由加荷系统渗透固结容器量测系统 3 个部分组成..1 加荷系统由去掉原容器部分的 YS-1 型压缩仪作为加荷系统, 特点是加荷稳.. 渗透固结容器该部分由固结仪内筒紧固螺环固结仪底座加压活塞组成图为渗透固结容器示意图 (1) 固结仪内筒 : 该部分作为盛置土样与活塞运动部分, 外径为 75 mm, 内径为 61.8 mm 上部截面积比下部稍大, 作为放置土样时的导向环在内筒底部侧壁上开一道 U 型槽, 放置 O 型橡胶密封圈, 用于防止从底部漏水土样加荷后, 侧向压力增加, 使得土样与容器壁的贴合十分严密, 消除了在装样过程中可能出现的土样与容器贴合不十分严密的现象由于在整个过程中, 土样始终处于受力状态, 故土样与容器壁能够一直保持密切贴合 () 紧固螺环 : 用于固定固结仪内筒与固结仪底座的装置 (3) 固结仪底座 : 底座上有个螺栓孔, 与底座中心相通的可以通过连接水头或压力传感器来量测渗透系数或孔隙水压力, 另一个通过连接测流管量测土样排水量底部有 1 个容器定位槽, 后方有 1 个量表支架座 (4) 加压活塞 : 高度为 5 mm, 直径为 61.8 mm, 顶部传压凹座两侧有 1 个排水孔和 1 个排气孔, 装样完毕后用 1 个螺母封闭排气孔活塞壁上有道 U 型槽, 用于放置 O 型密封圈由于活塞与容器壁之间有一定的摩阻力, 影响对土样施加压力的数值, 为此在未装土样前, 先把容器置于 YS-1 型压缩系统上, 在砝码一端徐徐加上少量砝码, 直至杠杆即将失去平衡活塞发生移动为止连接三通阀固结仪内筒紧固螺环 3 固结仪底座 4 加压活塞 5 排水孔 6 排气孔 7 O 型密封圈 8 透水石 9 容器定位槽 10 土样图渗透固结容器示意图 Fig. The sketch of osmotic oedometer container..3 量测系统 (1) 测流系统测流系统的功能是在较短的观测时间内量测软粘土介质中排出水的数量, 测流管是测流系统的关键部分要求在短时间内准确反映出水量体积的微弱变化, 并便于清洗, 所以选择了滴定管做为测流管其刻度为 0.05 cm 3, 可以反映液体体积的变化 () 孔隙水压力量测采用与孔压传感器相连的孔压数字仪来量测孔隙水压力 (3) 变形量测采用百分表来量测土样变形由于试验所用土

4 3894 岩石力学与工程学报 004 年样有较强的腐蚀性, 所以加工仪器所用材料为黄铜图 3 为渗透固结试验装置的照片与测流系统接通, 便可进行渗透试验表 3 是新的渗透固结试验装置与南 55 渗透仪对同一土样的对比试验结果表明, 新的渗透固结试验装置能使土样基本恢复到原来的受力状态, 所以得出的渗透系数比较接近实际图 3 渗透固结试验装置的照片 Fig.3 The photo of osmotic oedometer 3 试验装置的检定表渗透固结试验装置与 YS-1 压缩仪固结试验结果比较 Table The comparison between osmotic oedometer and traditional oedometer 使用仪器压力 /kpa 孔隙比固结系数 / m s YS 压缩仪改装仪器试验前, 用高度为 0 mm 直径为 61.8 mm 的环刀制样, 并抽气饱和试验时, 先用紧固螺环将固结仪内筒固定到固结仪底座上, 放入透水石和滤纸, 打开与底座相连的三通阀在固结仪内筒内注满水 ; 然后, 将带有土样的环刀放在固结仪内筒的导环内, 并用透水石轻轻把土样推入固结仪内筒, 将加压活塞置于土样上, 轻轻加压, 待土样与透水石紧密贴紧后, 拧紧封闭螺母, 这样在土样顶部只有排水管与测流管相连若关闭固结仪底座三通阀的排水管, 土样底部就只与孔压传感器相连, 此时, 土样单面排水固结, 可以量测土样底部孔隙水压力的消散 ; 若关闭孔压阀门, 则可以与排水管相连, 可以进行双面排水固结试验以及渗透试验其他试验方法同常规压缩试验 3.1 固结试验比较作者分别用研制的渗透固结试验装置与 YS-1 压缩仪对同一原状土做双面排水固结试验, 其目的在于通过资料对比, 以考核新试验装置所用土样的基本物理指标为 : 天然含水量为 45%, 比重为.70, 原始孔隙比为 1.10, 容重为 17.8 kn/m 3, 液限为 4%, 塑限为 3% 试验效果见表, 试验结果说明, 该渗透固结容器用于固结试验效果良好 3. 渗透试验比较原状土样一经取出地表, 便会由于卸荷而发生膨胀, 使土样的孔隙比增大而新的渗透固结试验装置不但可以进行固结试验, 而且能进行渗透试验 : 可以对土样逐级加荷, 使土样固结稳定后, 将容器表 3 渗透固结试验装置与南 55 渗透仪的渗透试验结果比较 Table 3 The comparison between osmotic oedometer and Nan-55 osmotic 使用仪器取样深度 /m 施加压力 /kpa 渗透系数 /cm s -1 南 55 渗透仪渗透固结试验装置排水量测定用饱和软粘土试验来检测排水量量测的精度土样直径为 61.8 mm, 高度为 0 mm, 施加荷载 100 kpa 图 4,5 表示土样变形排水量与时间的关系, 该装置可以量测土样中孔隙水的变化在整个试验过程中防止试验装置的漏水非常重要, 这关系到试验的准确性与精确性, 为了保证整个试验系统的封变形 /mm 图 4 变形 - 时间曲线 Fig.4 Curve of deformation-time of soil

5 第 3 卷第期师旭超等. 渗透固结试验装置的研制排水量 /cm 量测值孔隙水压力 /kpa P = 100 kpa P = 50 kpa 4.5 计算值图 5 排水量 - 时间曲线 Fig.5 Curves of water discharge-time of soil 闭, 固结仪内筒与加压活塞的直径均为 61.8 mm; 其中在加工活塞时, 采用动公差配合设计方法, 并在试验前涂抹少许黄油, 使其受压发生移动时, 既能保证密封性能好, 还可以最大限度地减小摩擦力由试验结果可以看出, 对于饱和土样, 其排水量与其变形量是适应的, 土样的体积变化可以根据排水量的多少来反映, 这也说明新的渗透固结试验装置可以量测土样内水量的变化, 收集固结过程中土体排出的孔隙水, 其漏水量可以忽略不计 3.4 孔隙水压力的测定在饱和土的理论中, 假定荷载刚加上时, 土样中的孔隙压力为最大, 随着时间的增长孔隙压力逐渐减小但实际上, 土样孔隙中难免有少量气泡, 土样与容器之间以及土样与透水石之间往往没有贴得很紧, 其间留有空隙, 因此, 在这种条件下测得的结果与其说是固结排水过程, 不如说是土样与容器及透水石贴紧的过程, 只有土样与容器及透水石贴紧以后, 土样中才出现孔隙压力最大值在此阶段中, 土样端部孔隙水压力已开始消散, 而中间部分尚在增长, 这会对量测结果有影响经过改装后的渗透固结试验装置可以通过控制阀控制排水条件, 使测得的试验结果更可靠土样采用饱和淤泥土样, 图 6 为测得的土样在 P = 50,100 kpa 压力作用下所测得的孔隙水压力随时间的变化曲线从测定的结果看, 土样在加载瞬时产生的超孔隙水压力的最大值并不是按照太沙基理论那样等于外加荷载, 只能达到最大荷载值的 90% 左右这是由于除了太沙基固结理论不能很好地模拟淤泥类软土的变形特性外, 土样与侧壁的摩擦力也承担了部分外荷图 6 孔隙水压力 - 时间关系曲线 Fig.6 Curves of pore water pressure-time 由此可见, 新的渗透固结试验装置可用来量测淤泥软粘土在外加荷载作用下超孔隙水压力的消散情况 4 结论在前人基础上, 通过对固结仪的改装, 使其具有以下功能和优点 :(1) 仪器的密封性能好, 可以收集土样固结过程中排出的孔隙水, 漏水量小 () 通过三通阀可以控制排水条件, 既可以进行单面排水试验, 并在底部量测孔隙水压力的消散规律, 也可以进行双面排水试验 (3) 通过改装固结仪, 可以同时进行固结试验渗透试验, 研究在外加荷载作用下土样的渗透特性参考文献 1 黄文熙. 土的工程性质 [M]. 北京 : 水利水电出版社,1983 高国瑞. 近代土质学 [M]. 南京 : 东南大学出版社, 殷宗则. 土体的沉降与固结 [M]. 北京 : 中国电力出版社, 杨顺安, 冯晓腊, 张聪辰. 软土理论与工程 [M]. 北京 : 地质出版社,000 5 曹文炳, 李克文, 刘若兰. 研究粘土释水和渗透特性的多用途固结试验装置 [J]. 水文地质工程地质,1986,(4):44~47 6 杜延龄, 李春华, 徐家海. 研究饱和粘土渗透特性的试验装置 [J]. 水利学报,1980,(4):71~75 7 殷建华. 新双室三轴仪用于非饱和土体积变化的连续测量和三轴压缩试验 [J]. 岩土工程学报,00,4(5):55~555 8 陈正汉, 卢再华, 蒲毅彬. 非饱和土三轴仪的 CT 机配套及其应用 [J]. 岩土工程学报,001,3(4):387~39 9 Bishop A W,Donald I B. The experimental study of partly saturated soils in the triaxial apparatus[a]. In:Proc. 5th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Eng.[C]. Paris:[s. n. ],1961,13~1 10 Wheeler S J. The undrained shear strength of soils containing large gas bubbles[j]. Geotechnique,1998,8(3):399~343

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01-0982.doc 第 32 卷第 7 期岩土工程学报 Vol.32 No.7 2010 年 7 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2010 沿海碎石回填地基上高能级强夯系列试验对比研究年廷凯 1,2, 水伟厚 3, 李鸿江 4, 杨庆 1,2, 王玉立 (1. 大连理工