李喜安 薛 泉 龐 濤 郭澤澤③ 師建鋒

( ①長安大學地質工程與測繪學院 西安 710054)

( ②國土資源部巖土工程開放研究實驗室 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、厚度相對較大且位于黃土剖面的上部，因此與各類工程關系較為密切( Li et al.，2017) 。由于馬蘭黃土水理性質特殊，水敏性極強，因此其滲透特性對土體的強度、穩(wěn)定性至關重要( 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筑物的安全。目前對于黃土滲透性的測定主要有兩類方法，一類是利用滲透儀進行室內測定方法; 另一類是利用單環(huán)法或雙環(huán)法等野外原位測定方法( 趙寬耀等，2018) 。由于黃土具有濕陷性、崩解性等水理性質而不可避免地會導致室內滲透試驗對試樣原始微結構的損壞，從而在進行其他試驗時不得不制備平行試樣; 由于單環(huán)法或雙環(huán)法等野外原位試驗過程緩慢，且必須同時準備充足的水，這些缺點都給滲透性的測定帶來不便。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得土體或土樣滲透性指標的方法。正因為如此，近年來陸續(xù)有學者在滲氣率相關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)膨潤土的滲氣特性與孔隙度和含水率有著顯著關系。Moon et al. ( 2008) 研究發(fā)現(xiàn)非飽和土的結構和孔隙特征對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、結構等因素有關。劉奉銀等( 2010) 通過研究認為飽和度較低時增濕對滲氣率的影響不大。彭爾興等( 2016) 發(fā)現(xiàn)當含水率大于最優(yōu)含水率時含砂細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壓力的影響較大，而對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系，且滲氣率的測定則具有測量迅速簡單、對試樣損害較小、可重復對同一試樣進行試驗等諸多方面的顯著優(yōu)勢。然而，在黃土滲氣率測定方面，大多采用室內滲氣率測定的方法，對于原位測定方法涉及甚少。原位試驗測定方法具有不擾動地層、能反映地層實際情況等優(yōu)點，因此非常值得對該方法開展研究。

為此，本文利用改進的原位滲氣率測定儀和室內滲氣率測定儀對不同地區(qū)的原位黃土地層及原狀馬蘭黃土試樣的滲氣率進行了測量，依據(jù)測量結果對比分析兩種方法的優(yōu)缺點，同時對黃土顆粒粒徑、孔隙比、含水率等因素對滲氣率的影響規(guī)律及其機理進行深入分析。

1 試驗方法原理及試驗方案

1.1 試驗方法原理

本次試驗采用的滲氣儀是在ZC-2015 型滲氣儀的基礎上改進的，通過增加一個10 000 mL 的真空氣罐將原先的儲氣室體積擴大10 倍。測量原理為通過抽真空階段在儀器系統(tǒng)內部形成與外界大氣壓有負壓差的條件，然后進行變壓差測量。測量過程中空氣通過土樣進入儀器內部，裝置內的水柱在壓差的作用下通過測量點，利用測量點記錄的時間數(shù)

圖1 改進的滲氣儀構造簡圖Fig. 1 Structure diagram of the improved air permeameter

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

黃土地層原位試驗。原位試驗需在測量區(qū)域先清理

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

頭密封良好。

1.2 滲氣率的計算公式

室內滲氣試驗滲氣率的計算方法參照劉錦陽等的方法計算( 劉錦陽等，2017) ，計算公式為:

式中，k 為氣體滲透系數(shù)( m2) ; h0為P0點水柱對應的刻度( cm) ; h 為任一時刻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為標準大氣壓( Pa) 。

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

原位滲氣試驗選擇最適合黃土地層的接觸式探頭進行，其最早由Dykstra et al. ( 1950) 提出，Eijpe et al. ( 1971) 等對其進行了補充。本研究采用與Goggin et al. ( 1988) 和Waal et al. ( 1998) 在原位滲氣測量中使用的物理計算模型基本一致的假設條件，計算模型如圖2 所示。其中假設滲氣吸盤的密封區(qū)域內半徑為ra外半徑為rb，所使用探頭的中央部分進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。假設探頭下的物質孔隙率、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。則土體內的氣體流動方程與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) |為矢量長度。

考慮幾何因子的影響，將進入試驗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為氣體質量流速，其值為:

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

其中，Vs為閉密系統(tǒng)的體積( m) ; μ 為動力黏滯系數(shù)，在20 ℃標準大氣壓下值為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 為測量環(huán)境溫度; M 為氣體相對分子質量( kg·mol－1) 。

對于低速滲流氣體，慣性系數(shù)可忽略不計，即β=0。將公式對時間( t0，t) 積分，則計算公式簡化為:

其中，s 為對數(shù)壓力函數(shù)與時間的關系曲線斜率，即為:

1.3 試驗方案

為對比研究原位滲氣率測量方法和室內滲氣率測量方法，在甘肅黑方臺、陜西西安、陜西延安等( 圖3) 3 個地點分別取得典型的原狀馬蘭黃土試樣，同時采用兩種方法進行滲氣率測量并對比測量結果，以分析顆粒粒徑、孔隙比、含水率等因素對滲氣率的影響規(guī)律及其機理。所取黃土試樣的基本物理指標如表1 所示。

圖3 取樣點分布圖Fig. 3 Sampling point distribution map

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

2 結果分析與討論

2.1 室內與原位滲氣試驗

由于新研發(fā)的黃土原位滲氣率試驗探頭是首次使用，因此為了驗證原位滲氣率試驗結果的準確性，將原位滲氣試驗的結果與室內滲氣試驗的結果進行對比如圖5 所示。兩種方法測得的滲氣率結果在x/y=1 直線附近，說明原位滲氣率的試驗結果是可靠的。在延安、西安、黑方臺共30 個測量點( 試樣)中，原位滲氣率和室內滲氣率測量結果偏離最大的是黑方臺2 個試樣，兩者滲氣率的測量結果分別為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才產(chǎn)生的差異。分析認為這是本身結構就相對更為疏松的黃土在取樣、運輸及室內制樣過程中受到了擾動所致。這2 個稍有誤差的結果相對于30 個測量點來說是極個別現(xiàn)象，因此不但不影響原位滲氣率測試結果的可靠性，而且其誤差原因分析對我們帶來的啟示是: 未經(jīng)人為擾動的原位土體結構由于相對致密和穩(wěn)定，也更能反映黃土地層的真實情況，所以在條件具備的情況下，宜優(yōu)先選取原位滲氣率的測量方法。

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

圖4 潛蝕場地平面分布圖( 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 室內原狀黃土與原位黃土滲氣率測量結果對比圖Fig. 5 Comparison of air permeability measurement result between indoor undisturbed loess and in situ loess

陜西西安、延安和甘肅黑方臺不同深度室內原狀黃土和原位黃土滲氣率測量結果如圖6 所示。由圖可知黑方臺黃土滲氣率最大，西安黃土滲氣率最小，這與黑方臺黃土的顆粒相對較粗、級配相對較差、孔隙比相對較大有關。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，這與以往得出的研究結果一致( 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，孔隙少，結構相對致密，導致滲氣率相對較低。

圖6 室內原狀黃土與原位黃土滲氣率測量結果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

室內滲氣率測量只能針對質地較為均勻的試樣，而實際黃土地層中黃土并非完全均質。對于濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴較為發(fā)育的黃土場地，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，且試樣在運輸過程中極易受到擾動，因此室內滲氣率測量方法在這種情況下難以應用。為揭示濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴對黃土地層滲氣率的影響規(guī)律，本文采用原位滲氣率的測量方法對圖4 所示典型濕陷裂縫( 隙) 和潛蝕洞穴發(fā)育場地進行滲氣率測量。

由測線1 各測點滲氣率測量結果( 圖7) 可以看出，非洞穴裂隙帶各測點的滲氣率在均值0.584 μm2附近波動。測線1 約14 m 處測點位于兩條裂縫交匯處，該處土體經(jīng)裂隙擾動破碎導致孔隙多而大，滲氣率達到整條測線的峰值為0.776 μm2。洞穴裂隙帶中的其他測點，因接近裂隙及洞穴導致原地層土體擾動破碎而使得各測點的滲氣率明顯大于非洞穴裂隙帶各測點滲氣率。由測線2 各測點滲氣率測量結果可以看出( 圖8) ，各測點的變化規(guī)律與測線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到峰值為0.736 μm2。

圖7 測線1 滲氣率變化曲線Fig. 7 Line 1 gas permeability rate curve

圖8 測線2 滲氣率變化曲線Fig. 8 Line 2 gas permeability rate curve

由測線3 各測點滲氣率測量結果可以看出( 圖9) ，測線3 所有測點所測得的滲氣率值中，位于探槽西壁、探槽東壁附近的兩個測點的滲氣率值最大，分別為0.821 μm2和0.762 μm2，而距離探槽壁越遠的測點滲氣率值越小，當距離超過約2 m 時滲氣率值趨于穩(wěn)定。分析認為這一現(xiàn)象的本質是由于探槽壁臨空面的存在使得探槽壁周圍土體內部應力重分布，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，風化作用相對較強，其結果使得土體更為疏松而滲氣率增大。另外，從所有3 條測線的滲氣率值對比還可以發(fā)現(xiàn)，由于探槽的開挖而導致的滲氣率的最大增量約0.24 μm2，明顯超過潛蝕場地因洞穴和濕陷裂縫存在而導致的滲氣率最大增量約0.19 μm2，當在原位滲氣率的有效測量范圍內出現(xiàn)一側臨空面時，氣體會優(yōu)先選擇通過臨空面快速滲透，且該臨空面又因風化、節(jié)理等作用導致疏松破碎，使得探槽引起的黃土滲氣率相對增量更為明顯。

圖9 測線3 滲氣率變化曲線Fig. 9 Line 3 gas permeability rate curve

3 結 論

通過本文研究，可以得出以下結論:

(1) 對室內滲氣率測定方法和原位滲氣率測定方法的原理進行了介紹。兩種方法對比試驗結果表明，在排除試樣擾動因素干擾的情況下，原狀黃土室內滲氣試驗與原位滲氣試驗獲得的結果基本一致，原位滲氣試驗的結果是可靠的。

(2) 兩種試驗結果均表明，黃土顆粒粒徑及級配、孔隙比、含水率是影響黃土滲氣率的主要因素。粗顆粒愈多級配愈差( 孔隙比相應愈大) 、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配有關。同一地點隨取樣深度增加滲氣率呈現(xiàn)減小的趨勢，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)場原位試驗表明，黃土地層結構對滲氣率具有顯著的影響。潛蝕洞穴裂隙和探槽附近各測點的滲氣率明顯偏大，而遠離潛蝕洞穴裂隙和探槽的各測點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原始黃土地層結構在一定程度上產(chǎn)生了擾動，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化作用，且臨空面的產(chǎn)生進一步加快了氣體滲透的速度，所以探槽開挖導致的滲氣率增量大于洞穴裂隙存在導致的滲氣率增量。

(4) 由于原位滲氣率測量方法在最大程度上避免了取樣、運輸、制樣等過程的擾動影響，且測量過程快速便捷，因此在條件具備的情況下，宜盡量優(yōu)先選取原位滲氣試驗方法。基于原位滲氣率的測量方法在評價黃土地層滲透性乃至依據(jù)滲透性來評價黃土地層結構缺陷( 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用前景。