改进型渗压仪的研制与实验室应用

吴晓峰， 吴 玥， 袁聚云

(同济大学 a. 岩土及地下工程教育部重点实验室；b. 经济与管理学院，上海 200092)



·仪器设备研制与开发·

改进型渗压仪的研制与实验室应用

吴晓峰a， 吴 玥b， 袁聚云a

(同济大学 a. 岩土及地下工程教育部重点实验室；b. 经济与管理学院，上海 200092)

为了提高渗透试验的效率和精度，发挥实验教学中学生的主观能动性，设计出一款改进型渗压仪。该仪器基于岩土工程实验室常用QY1-3型渗压仪，采用GDS控制器加载渗透压力，由JM3811静态应变测试系统采集试样的轴向变形，通过计算机模块控制试验、整理数据。通过与普通渗压仪对某地软黏土渗透性的对比，采用3种先期固结压力和两种渗透压力加载方式，验证改进型仪器的性能。实验结果显示：软黏土的渗透系数随先期固结压力的增大而减小，受渗透压力的影响很小。改进型渗压仪的操作简便，结果可靠、精度高，测量时间短，功能多样化，不但能满足科研和教学需要，同时提高了测试效率和学生动手操作能力。

渗透系数； 渗压仪； GDS加压控制器； 固结

0 引 言

岩土工程实践中，常需了解土体的渗透性，如基坑开挖排水，结合土体渗透性配置排水设备[1]；修筑土石坝、边坡，要考虑填料的渗透性[2]；计算饱和软黏土上建筑物的沉降，也要掌握渗透性影响[3]。此外，渗透还会引发流沙、管涌等现象，对地下水资源保护和工程的安全等有不可忽视的作用[4-5]。

在现代土力学的科研或教学实践中，渗透系数常作为土壤材料的重要物理性质参数被测试。传统的渗透系数测量方法主要为常水头和变水头渗透实验法[6]，这是一种标准的稳态测量方法。而后，许多学者对改进渗透仪的性能作了大量研究工作[7-11]。尽管如此，现有渗透仪普遍存在测试时间长、效率低、精度差、不利于误差分析、实验操作步骤繁杂等缺点[12-15]。

在岩土工程实验室常用QY1-3型渗压仪的基础上，采用GDS控制器进行渗透压力的加载，由位移传感器对固结过程试样的轴向变形进行测量和采集，通过计算机软件模块进行试验参数控制，实时显示试样轴向变形、渗透压力和流量，自动储存数据。改进后的渗压仪设备测量时间短、数据准确和自动化程度高。

1 改进型渗压仪的原理

传统的QY1-3型渗压仪通过气压加载固结和渗透压力，使用指针型圆盘压力表显示数值，旋转阀门控制压力大小。实验过程中，靠人工掐表记录时间，人眼读取指针刻度和体变管液面高度的方法进行数据采集。上述方法导致了实验操作繁杂，测试结果很大程度受到实验人员的主观操作方式影响，数据误差大。

本文对原有仪器的渗透加压、数据采集、控制方式等功能做了优化和改进，改进后的试验装置主要由加荷系统、渗压加载系统、应变测试系统和控制系统组成，通过气压加载固结，液压控制渗流，其原理见图1。

图1 改进型渗压仪的原理图

1.1 加荷系统

由原QY1-3型渗压仪的渗压容器作为加荷系统，容器底部与加压泵相连，通过气压控制阀调节压力大小，由气压表读取数值，满足固结过程的要求。容器内有被两片圆形透水石夹住的土样。渗透过程中，进水管为下部透水石供水施加渗透压力。位移表可以实时测得土样的轴向变形。

1.2 渗压加载系统

使用GDS液压控制器进行渗透压力的加载。GDS控制器可以通过自行输入目标值的方式控制压力，也可以与控制系统相连，实现计算机模块的数字化控制。GDS控制器的加压范围为0～2 MPa，扩大了渗透系数的测量范围，弥补了传统渗压仪无法测量高密度材料的不足。

1.3 应变测试系统

静态应变测试系统可以实时汇总位移表采集到的试样变形数据，并将数据传输到计算机模块并显示。常规固结过程通过人工采集，误差大，而静态应变系统的使用提高了固结试验的效率和精确性。

1.4 控制系统

控制系统为一台加入编程模块的计算机，具备渗压控制和数据采集功能。通过模块与GDS控制器相连，计算控制渗透压力的加载和渗流体积的大小(见图2)，压力加载既可以是瞬间压力增大，也可以输入加载时间进行缓慢线性加载。另外，控制系统可以实时采集渗透压力、渗流体积，并自动储存(见图3)。

图2 控制系统原理示意图

图3 控制系统对实验数据的实时采集

改进型渗压仪可以同时满足室内常规固结实验和渗透实验的要求，通过计算机进行压力控制和数据采集，自动化程度高，操作简便。

2 改进型渗压仪的实验方法

(1) 制样。使用切土环刀切取有代表性的原状或重塑土体，试样高度20 mm，直径61.8 mm，并抽真空饱和。为了排除水中复杂离子对测试的干扰，实验中均使用去离子水。

(2) 排气。将水导入渗压容器，使整个管路及容器内透水石得到充分排气并饱和。排气的方式有两种：①仅打开水箱阀门，利用大气压力进行降水排气；②通过GDS控制器的排水操作进行排气。排气结束后，关闭所有阀门。

(3) 装样。将装有饱和试样的环刀，刀口朝上装入渗压容器内，注意装入之前土样的两面贴上与环刀口面积相等的滤纸。环刀外面套上“O”型止水圈，放上垫环，拧紧螺环。在土样上端装透水石和传压帽。

(4) 固结过程。安装位移表并与应变测试仪相连，打开计算机的位移采集模块。根据实验要求施加固结压力，同步进行位移采集，完成固结实验。

(5) 渗透过程。待试样固结稳定后，储存位移采集数据，关闭位移采集模块。打开渗透模块，并输入渗透压力(可以是瞬间加载，也可以缓慢线性加载)，点击开始键施加压力，同时模块自动采集渗透压力和流量并储存。

如果需要测量土样在固结过程中的渗透系数，或者施加不同渗透压力过程中的固结影响，可以按照上述试验方法，将固结和渗透过程组合操作。

3 应用实验及结果分析

为了检验改进型渗透仪的精度与适用性，以东南沿海某地软黏土作为研究对象，采用改进型渗压仪与QY1-3型渗压仪进行对比实验，方案如表1所示。

3.1 实验原理

施加渗透压力后，计算机控制系统自动记录时间t，渗透压力p和渗出液体的体积Q。根据达西定律计算出试样的渗透系数k[16-17]，即：

(1)

式中：k为某一温度时的渗透系数，cm/s；q为渗透流量，cm3/s；ΔH为水头差，cm；A为试样断面积，cm2；Q为时间ts内的渗透水量，mL；L为试样高度，cm；p为渗透压力，kPa；t为渗透时间，s。

3.2 固结压力与渗透压力对渗透系数的影响

由图4可知，不同固结压力作用的土样，渗透系数在渗流开始的1 000 s趋于平衡，固结压力越大，渗透系数越小。图5显示，固结压力与渗透系数呈负相关，相关系数R2=0.978 14。图6为以0.208 3 kPa/min速度线性加载渗透压力的渗透系数关系曲线。加载之始，渗透系数不稳定，待到稳定后，渗透系数随渗透压力的变化不明显，可见小于破坏土样微观结构的渗透压力对渗透系数的影响很小，符合渗透试验规范要求。

图4 不同固结压力下的渗透系数曲线

图5 渗透系数与固结压力的关系

图6 线性加载渗透压力实验

3.3 与原来仪器的试验对比

使用QY1-3型渗压仪，在相同参数条件下进行渗压实验，结果如图7所示。可见，QY1-3型渗压仪的实验数据较零散，规律性差，而且实验方法由实验人员控制，人为因素增加了采集数据难度。相比，改进型渗压仪的测试效率更高，操作过程更加便捷。对比实验结果如表2所示。

图7 QY1-3型渗压仪对比实验

表2 改进型渗压仪与QY1-3型渗压仪的实验结果对比

通过3种不同固结压力的试验，2种仪器测试结果的绝对误差最大值为0.43×10-8cm/s，远小于渗透试验规范规定的(±2×10-n)cm/s(按照量级表述，本实验中n=8)，所以改进型渗透仪用于渗透试验是可行的，符合规范中的实验要求。

4 结 语

通过GDS控制器加载渗透压力，可在较大范围内选择并提高渗透压力，解决了一般渗透仪无法测试高密实试样的难题。加快了实验速度，提高了测试效率。采用计算机数字化控制系统，不但可以实现瞬间或线性加载压力，而且减少了实验读数的主观人为因素，提高了实验的精度，操作更加便捷，减轻了劳动强度。室内应用和对比实验结果表明，本文研究的改进型渗压仪满足规范要求，精确度高，操作方式多样化，有助于学生根据不同的实验对象、加压方式和实验方法，自行设计、选择不同的实验方案完成实验, 提高了实验教学的效果。

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Principle and Application in Laboratory of a Newly Developed Permeameter

WUXiao-fenga,WUYueb,YUANJu-yuna

(a.Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education;b. School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In order to improve the efficiency and accuracy of permeability test as well as students' subjective initiative in experiment teaching, an improved permeameter has been designed. Through experimental method, the principle and operation process of the instrument are introduced. Through the test on the permeability of soft clay compared with common permeameters, the performance of the improved instrument is validated under three kinds of pre consolidation pressures and two kinds of osmotic pressure loading method. Based on QY1-3 equipment used commonly in geotechnical engineering laboratory, this instrument forces on osmotic pressure by GDS controller, and collects the vertical deformation of samples by JM3811 static strain testing system. Computer module is used in the test for operation control and data arrangement. Test results show that permeability coefficient of soft clay is negatively correlated with the pre consolidation pressure, and is not significantly affected by osmotic pressure. With less measurement time and diverse functions, this device makes the operation easier, and the data reliable and highly accurate. It can not only meet the needs of scientific research and teaching, but also improve research efficiency and students’ hands-on ability at the same time. This device can display and store the experimental data in real time, which fulfills the digital experiment process and is accordance with the ideas of laboratory development.

permeability coefficient; permeameter; global digital systems (GDS) controller; consolidation

2015-04-21

国家自然科学基金青年基金项目(51008228)；实验教学改革专项基金

吴晓峰(1962-)，男，上海人，工程师，现主要从事岩土及地下工程的实验研究。

Tel.:021-65984355；E-mail:xiaofengwu@tongji.edu.cn

TU 411

A

1006-7167(2016)02-0049-03