黄土渗气系数原位测试原理方法及适用性试验研究*

任宏玉 李喜安②③ 张玉涛 李 杰 薛 泉

(①长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(②国土资源部岩土工程开放研究实验室，西安 710054，中国)(③长安大学黄土工程研究中心，西安 710054，中国)(④中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071，中国)

0 引 言

黄土是第四纪由风力搬运后经漫长地质改造的天然松散沉积物，水敏性强，水、气在孔隙中的渗流会使黄土孔隙空间变形，以及颗粒重新排列，导致黄土结构发生塌陷，变形和强度降低。在黄土工程实践中，由渗透变形破坏直接引发的管涌、流土、流滑等工程灾害历来是人们所关注的重点，而由渗透间接引发的湿陷(沈佳等，2020)、塌陷、滑坡(高英等，2019)和潜蚀等黄土工程地质问题和地质灾害更是人们研究的焦点。

正因为如此，许多学者从不同角度对黄土的渗透性开展过卓有成效的研究，探讨了冻融循环作用、干密度和各种固化材料、微观结构特征、振动效应等对黄土渗透性的影响(Chamberlain et al.，1979；王铁行等，2006；米海珍等，2011；李喜安等，2018；王家鼎等，2021)。这些对黄土渗透性影响因素及其影响机理的研究成果有效地指导了黄土地区工程实践，但关于黄土渗透性的测定主要局限于两类常规方法，一类是室内试验利用渗透仪或改进装置(Wang et al.，2020)进行测定；另一类是原位试验利用单环法或双环法等方法进行测定。此外，有一些着重研究黄土渗透过程的土柱试验(覃小华等，2017)，以及着重研究黄土场地湿陷特征的原位浸水试验(姚志华等，2012)，在试验中通过监测渗透湿润锋的运移速率而得到渗透系数。在上述黄土渗透系数的获取方法中，原位试验往往十分费时费力，而非原位的试验又会由于黄土试样所处的应力场和侧限条件发生改变以及试验过程中对土样的扰动，加之黄土水理性质导致其微结构发生改变，从而很大程度上影响到渗透系数测试的准确性。

与渗透系数相比，渗气系数与渗透系数有良好的双对数线性相关关系(刘锦阳等，2017)，相关系数稳定在0.93以上，这一稳定的规律使得黄土渗透系数准确快速测定成为可能，在工程实践中，无疑可以通过测定更易获得的黄土渗气系数，再通过其稳定的相关关系推导其渗透系数，这样不仅能够大大缩短渗透系数的测试时间，而且由于渗气系数的测试过程不受黄土水敏性的影响，不会对土体性质和微观结构造成损害，因此能够获得更为准确的黄土渗透系数。

前人关于渗气系数的研究多出自于地下储气库建造(王其宽等，2020)、地下气压隧道法施工等工程实践的需要。丁朴荣(1986)通过改进的ZC-5型渗气仪对青防渗墙的质量进行检测，推导了渗气系数计算公式。Tuli et al.(2005)通过对比饱和土样和非饱和土样渗气性，发现饱和度显著影响试样渗气系数。赵敏等(2015)研究发现非饱和黄土水、气渗透特性具有良好的相关性。Chen et al.(2017)研究发现黄土渗气系数与不同压力下空气饱和度有关，并提出了一种预测渗气系数的模型。

与室内渗气测试方法相比，现场原位测试方法在现场实施，操作更为简单灵活，不需要采集土样，避免了采集、运输、加工过程中可能对土体天然结构的破坏，可以真实反映土体所处环境的实际特点，数据更为可靠(李喜安等，2019)。因此，也有学者对原位渗气测试方法展开过一些研究。早在1947年Kirkham(1947)就在室内试验的基础上尝试过一种插入式探头的渗气仪器用来测量原状土体的渗气系数。Eijpe et al.(1971)试制了一种小型接触式探头测量固结岩石和松散砂的渗气性。Mosely et al.(1996)曾分析了基于不同形状因子探头的土壤渗气系数的计算方法。曹渊等(2017)基于稳态气体渗流理论，研制了一种钻孔式原位渗气测量系统用于岩石渗透率的测定。Mohammadi et al.(2019)设计了一种在层流状态下可测量不同压力水平下渗气系数的插入式便携渗气仪。以上这些研究多局限于对沥青、混凝土、岩体等介质的渗气系数测定。然而，上述原位测试方法均未涉及黄土材料，且岩石材料的渗透系数一般在量级上低于黄土，而土壤的渗透系数一般在量级上高于黄土，加之与这些介质不同，黄土因具有独特的水理性质和强水敏性而使得其渗透系数的测定更容易带来误差，因此对其渗气系数测试方法开展研究更具意义。因为我们可以通过测定更易获得的黄土渗气系数，根据其与渗透系数的稳定关系直接推导其渗透系数，这样不仅能够大大缩短渗透系数的测试时间，而且可以巧妙地避免因黄土水理性质导致其微结构改变而对渗透系数测试所带来的误差。为此我们曾在以往的研究中对黄土渗气系数的室内测试方法开展过系列研究，测试方法已经成熟(刘锦阳等，2017)。

鉴于目前对于黄土渗气系数原位测试方法尚未有过专门报道，本文介绍了两种黄土原位渗气系数测试方法，原理及操作流程，并根据在黑方台、延安和西安3个地区典型马兰黄土地层开展的一系列原位渗气试验，探讨了两种原位渗气测试方法的适用性。本文的研究为黄土渗气系数原位测试方法在实践中进一步推广应用提供了理论基础。

1 黄土渗气系数原位测试介绍

1.1 黄土渗气系数原位测试方法及原理

原位渗气仪的核心装置与室内渗气仪相同，均为在改进的ZC-2015渗气仪(刘锦阳等，2017)原有1000 mL小气室的基础上增加了一个 10 000 mL的大气室，将原来的测量范围10-3～10-9m2扩大到适于黄土的测试范围10-10～10-16m2。图1为ZC-2015渗气仪简图及内部结构图，利用真空泵抽气，使U 形管中的水位上升到指定高度，系统此时呈负压状态，形成一定压差。之后，打开阀门，压差随着空气的进入逐渐降低，水柱高度也随之下降，最终当气体不再进入，即仪器内外压差消失，系统恢复初始状态。

图1 渗气系数测量仪

测试时将原来连接室内环刀的接口阀3直接与插入式和接触式原位测试探头相连。插入式原位渗气探头如图2a所示，主要由环刀、击实杆、击实锤和下托盘组成，环刀高5 cm，宽7 cm，为减小插入式环刀对土体的扰动作用，使用高强度特殊钢制成厚度0.2 mm的环刀，为避免插入时环刀内部形成过强的气压，在与环刀相连的上托盘表面设置排气孔，击实锤宽6 cm，高10 cm，重量2 kg，最大落距为44 cm，测试过程中气体渗流场分布如图2b所示。接触式原位渗气探头如图3a所示，其结构主要是隔气密封罩，其由底座和顶板组成，其间具有气体通道，底座直径为16.5 cm，包括圆形气体渗流域和外部环形密封域，顶板下有密封剂填充腔由密封剂通道和底盘环形密封域连接，测试过程中气体渗流场分布如图3b所示。

图2 插入式原位渗气测试

图3 接触式原位渗气测试

两种探头的测试依据的原理均是基于气体质量守恒及达西定律的微分形式，通过测定水柱下降不同高度所需要的时间和对应的压力差变化得出土体的渗气系数。

由于原位渗气试验中探头的存在对土体计算模型有一定影响，因此引入形状因子，使不同方法下渗气系数的计算公式也有所差异。插入式渗气测试的渗气系数计算公式如下：

(1)

(2)

式中：L为探头置于土层的长度(m)；h为探头表面距地表的深度(m)；r为探头内径(m)。

对于接触式渗气试验，渗气系数基于基本一致的假设条件且由于气体低速渗流，其惯性系数可忽略不计。引入形状因子推导的渗气系数公式可以简化为如下形式：

(3)

式中：ra表示接触式探头测量密封区域内半径(m)，G0表示Darcy渗流的几何因子，根据试验仪器可知G0=4.78；S表示对数压力函数与时间的关系曲线斜率，计算公式为：

(4)

1.2 黄土渗气率原位测试仪操作流程

测试前视测试点附近浮土厚度清理表面浮土，形成所需平整的圆形工作面，按照要求安置探头，将改进的渗气仪与原位测量探头连接，然后设置数据采集起始和终止的储气室压力条件并检验装置气密性，之后按要求进行试验，等到储气室压力与大气压平衡后，测试结束，记录储气室压力变化，及所需时间，最后进行渗气系数计算。

对于接触式探头，露出的工作面直径宜为17.5～21.5 cm。当工作面为水平时，探头直接与待测土样的表面接触，将探头隔气密封腔注满密封剂，然后在土层和探头底部接触面均匀填充一定厚度的密封剂，当工作面为垂直时，为了确保底盘与土层之间的密封性，还需在底盘的外侧施加外力，并在下方设置支撑(图4)。接触式方法只需将探头与非临空地面紧密接触，对土体的扰动相对较小。

图4 接触式探头作用于垂直面示意图

对于插入式探头，露出的工作面直径宜为8～12 cm。当工作面为水平时，为防止插入式探头的环刀侧壁绕流影响测量精度，需在环刀侧壁涂抹凡士林，然后将插入式探头置于测试点土体表面，通过与探头配套的击实杆和击实锤将探头缓慢插入土体内部直至探头完全进入土体。当工作面为垂直时，在测试点处，可通过水平方向快速滑动击实锤对探头施加外力使环刀插入土层。与接触式探头相比，插入式探头在水平工作面和垂直工作面均不需另外支撑，且所需工作面直径皆小于接触式探头，因此相比之下插入式探头操作更为简便、灵活。

2 黄土渗气系数原位测试结果及分析

2.1 试验方案及黄土的基本物理指标

原位渗气测试选择在黏黄土带的陕西西安、延安，以及粉黄土带的甘肃黑方台3个黄土剖面上进行。选定试验点，按上述试验步骤清理工作面，连接探头，在选定剖面的2 m、4 m、6 m、8 m、10 m深度处先进行垂直方向的接触式原位渗气测试和插入式原位渗气测试，然后在相同位置处进行水平方向上接触式原位渗气测试和插入式原位渗气测试。最后在测试点附近对应深度处取原状黄土样品，运回实验室，利用室内渗气仪(刘锦阳等，2017)进行室内原状黄土垂直方向和水平方向的渗气系数测定。

按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)，对取回的黑方台、延安、西安地区各剖面不同深度处黄土试样进行室内土工试验，得到的基本物理指标如表1(薛泉，2020)所示。通过烘干法测得含水率，比重瓶法测得土粒密度，环刀法测得密度，经三相物质相互关系换算得到干密度和充气孔隙度，颗粒组成由Bettersize2000激光粒度仪测得。

表1 原状黄土的基本物理指标

2.2 插入式原位渗气测试结果分析

图5是插入式原位渗气测试与室内渗气测试结果随深度变化对比图，可以看出3个地区测得的插入式原位渗气系数均稍大于室内测定结果，但这种差异很小且随着深度增加其值趋于一致。分析认为，随着深度的增加，黏粒含量逐渐增大且塑性增强，黄土的抗扰动能力也随之增强，因此插入式探头因插入扰动而带来的误差也愈来愈小。图5还可以看出不同地区土样的渗气系数均随着埋深的增加而减小，且在同一地区水平渗气系数均稍大于垂直渗气系数，亦即同一深度黄土的渗气系数具有一定各向异性的性质。

图5 插入式原位渗气测试结果与室内渗气测试结果随埋深变化对比图

首先，在黄土沉积的过程中，随着土层不断沉积，上覆土层的自重压力不断增大，使下层土体颗粒破碎，加之长期的成土化作用，粒间孔隙减小，干密度增大，孔隙连通性较差，因此渗气系数随着埋深的增大而减小。其次，天然土层在沉积过程中倾向于形成稳定结构，土颗粒及由其组成的构造单元在空间上排列趋于定向，尤其是扁平状颗粒在排列时长轴多平行于水平面，颗粒间水平方向接触面更大，使得水平向渗气系数略大于垂直向渗气系数。这些与其他学者对黄土渗透性及其各向异性研究得出的规律相符合(洪勃等，2019；Hao et al.，2020)。再次，对比黑方台、延安和西安3个地区的关系曲线可以明显发现黑方台黄土的渗气系数最大，延安黄土次之，西安黄土最小，这一结果正好与黄土的区域分带性相契合。西安位于黏黄土带，其黏粒含量与黑方台地区相比更多，其胶结更为紧密，充气孔隙率低，气流通过性较差，因此渗气系数低。该规律与黄土渗透系数研究得到的规律一致，从图6中3个地区原状黄土电镜扫描图片可以对比看出：相同取样深度和相同放大倍数下，可见黑方台取样点黄土孔隙较大，连通性好，砂粒较多，黏粒较少，所以渗气性强。延安取样点黄土粉粒和黏粒含量相对较多，其接触方式多为间接点接触和直接面接触。西安取样点黄土结构复杂，孔隙较小，出现胶结物孔隙，粒组成分上粉粒及黏粒占据主导地位，形成胶结带，接触方式变为面胶结、直接面接触等为主。正是由于黑方台、延安和西安微观结构上的差异，使得3个地区气流通过难易程度不同，造成黑方台地区渗气系数明显大于延安和西安地区。

图6 3个地区4 m深度处原状黄土微观电镜图片

图7是插入式与室内渗气测试结果对比图。可以看出，插入式渗气系数与室内渗气系数在西安和延安地区基本集中在x/y=1线附近，黑方台的地区数据则相对离散，插入式试验结果总体略大于室内渗气试验结果，但差异仍然很小。

图7 插入式原位渗气测试与室内渗气测试结果对比图

2.3 接触式原位渗气测试结果分析

图8为接触式渗气测试与室内渗气测试结果对比图，从图中可以看出渗气系数在不同地区随地层深度变化规律与前文所述基本一致，在黑方台地区接触性探头测得的渗气系数略小于插入式探头测得的渗气系数，同理，这也是由于黑方台地区黏粒含量较少而塑性指数较小，插入式探头插入土体时产生的扰动相对较大所致。

图8 接触式原位渗气测试结果与室内渗气测试结果随埋深变化对比图

图9是接触式渗气试验与室内原状土渗气试验测得的渗气系数对比图，可以看出接触式原位渗气试验结果与室内试验结果基本一致。整体上看接触式原位渗气试验得到的数据离散程度更小，所示数据结果更集中于y/x=1线附近，可见一定程度上接触式原位测试方法所获得的结果精度更高。

图9 接触式原位渗气测试与室内渗气测试结果对比图

3 原位渗气测试方法的适用条件分析

以室内原状黄土测得的渗气系数为参考对象，绘制相同条件下接触式原位渗气测试和插入式原位渗气测试得到的渗气系数对比图，如图10所示。从图中可以发现插入式原位渗气系数都略大于接触式原位渗气系数，在西安和延安地区数据分布基本集中在x/y=1的附近，黑方台地区较为离散，分析认为在黏粒含量低，充气孔隙度大的地区受插入式探头扰动大，在探头插入过程中附近的颗粒容易发生错动，出现微裂隙，使插入式原位渗气系数偏大。

图10 接触式渗气测试与插入式渗气测试测得的渗气系数对比图

插入式探头在击实锤的作用下进入土体需要克服土颗粒间的胶结力及摩阻力，刀头在刚刚插入土体时，由于应力集中会在探头附近土层表面形成一些细小裂缝，随着探头插入深度增加，微裂隙逐渐增多并向下扩展，从而在一定程度上影响到渗气系数的测定结果(图11)。正因为如此，黏粒含量愈高其对应的塑性亦愈强，插入带来的扰动则愈小；反之，黏粒含量愈低塑性愈弱，插入带来的扰动则会愈大。

图11 插入式探头对土层影响作用示意图

图12为测试点处，不同黏粒含量下插入式原位渗气测试适用性范围图，可以发现黏粒含量与塑性指数之间存在明显线性相关性，相关系数为0.926，对应线性拟合曲线为y=2.126x-6.849，可以看出在黏粒含量为12.44%时，对应的临界塑性指数为11.2，同时满足塑性指数大于11.2以及黏粒含量大于12.44%的土层对应的插入式原位渗气系数与室内渗气系数差值以及与接触式原位渗气系数差值都很小，垂直方向和水平方向水平差异都不超过8.0748×10-14m2。

图12 插入式原位渗气测试适用性范围

总体来说，插入式原位渗气试验测量速度快，操作最为方便，不仅可以在水平面土层测量渗气系数，也可以在垂直面进行测量，且需要的工作面小，是一种非常便捷的渗气系数测量方法。但是由于试验原理使其适用性受限，其适用范围主要取决于黏粒含量和土层抗扰动能力。塑性指数是一种可以反映土层抗扰动能力的综合指标，塑性指数愈大，表示土的粒径愈小，亲水矿物(如蒙脱石)或黏土颗粒愈多，可塑性和抗扰动性越强。与黏粒含量和塑性相比，初始含水率与干密度对插入式探头带来的扰动影响不大，这是因为它们只会影响插入式探头插入的难易程度，但并不能改变土的塑性。

4 结 论

本文通过在西安、延安和黑方台3个地区黄土剖面开展插入式及接触式原位渗气测试，结合室内渗气测试，得到以下主要结论和认识：

(1)插入式和接触式原位渗气测试与室内渗气测试结果均表明，随着地层埋深的增大，渗气系数逐渐减小，且减幅变缓。相同条件下，两种原位渗气测试方法得到的水平渗气系数略大于垂直渗气系数。

(2)渗气系数受场地土体性质影响，黑方台、延安和西安地区黄土黏粒依次增高，塑性指数依次增大，相同深度处接触式和插入式原位渗气测试方法测得的渗气系数在黑方台、延安和西安地区依次减小。该结论与前人对黄土渗透系数和渗气系数与黏粒含量关系研究所得到的规律一致。

(3)本文介绍的接触式原位渗气测试由于对土层扰动小，因此基本不受黄土黏粒含量和塑性指数的影响，普遍适用于黑方台、延安和西安地区黄土的渗气系数测定。插入式原位渗气测试快速便捷，需要的工作面小，不仅便于测试水平地层的渗气系数，也便于作用在垂直面且无需辅助支撑。但由于插入式探头对土体的扰动作用，由黑方台、延安和西安3个地区5个不同深度黄土地层测试结果表明该法更适于黏粒含量大于12.44%(塑性指数大于11.2)的黄土层，由于本文所测试的黄土黏粒含量范围介于6.47%～25.29%之间且序列级差均匀，因此该结论对其他地区不同黏粒含量的黄土地层也具普适性。

原位渗气测试可以有效减少人为扰动影响，操作简单，不需进行削样制备，测量过程高效、便捷，因此具有良好的推广应用前景。本文介绍的两种黄土原位渗气系数测定方法及其适用范围的初步确定为其在实践中进一步推广应用提供了理论基础。