任宏玉 李喜安②③ 張玉濤 李 杰 薛 泉

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國)(②國土資源部巖土工程開放研究實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國)(③長(zhǎng)安大學(xué)黃土工程研究中心，西安 710054，中國)(④中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071，中國)

0 引 言

黃土是第四紀(jì)由風(fēng)力搬運(yùn)后經(jīng)漫長(zhǎng)地質(zhì)改造的天然松散沉積物，水敏性強(qiáng)，水、氣在孔隙中的滲流會(huì)使黃土孔隙空間變形，以及顆粒重新排列，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷，變形和強(qiáng)度降低。在黃土工程實(shí)踐中，由滲透變形破壞直接引發(fā)的管涌、流土、流滑等工程災(zāi)害歷來是人們所關(guān)注的重點(diǎn)，而由滲透間接引發(fā)的濕陷(沈佳等，2020)、塌陷、滑坡(高英等，2019)和潛蝕等黃土工程地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害更是人們研究的焦點(diǎn)。

正因?yàn)槿绱?，許多學(xué)者從不同角度對(duì)黃土的滲透性開展過卓有成效的研究，探討了凍融循環(huán)作用、干密度和各種固化材料、微觀結(jié)構(gòu)特征、振動(dòng)效應(yīng)等對(duì)黃土滲透性的影響(Chamberlain et al.，1979；王鐵行等，2006；米海珍等，2011；李喜安等，2018；王家鼎等，2021)。這些對(duì)黃土滲透性影響因素及其影響機(jī)理的研究成果有效地指導(dǎo)了黃土地區(qū)工程實(shí)踐，但關(guān)于黃土滲透性的測(cè)定主要局限于兩類常規(guī)方法，一類是室內(nèi)試驗(yàn)利用滲透儀或改進(jìn)裝置(Wang et al.，2020)進(jìn)行測(cè)定；另一類是原位試驗(yàn)利用單環(huán)法或雙環(huán)法等方法進(jìn)行測(cè)定。此外，有一些著重研究黃土滲透過程的土柱試驗(yàn)(覃小華等，2017)，以及著重研究黃土場(chǎng)地濕陷特征的原位浸水試驗(yàn)(姚志華等，2012)，在試驗(yàn)中通過監(jiān)測(cè)滲透濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率而得到滲透系數(shù)。在上述黃土滲透系數(shù)的獲取方法中，原位試驗(yàn)往往十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而非原位的試驗(yàn)又會(huì)由于黃土試樣所處的應(yīng)力場(chǎng)和側(cè)限條件發(fā)生改變以及試驗(yàn)過程中對(duì)土樣的擾動(dòng)，加之黃土水理性質(zhì)導(dǎo)致其微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而很大程度上影響到滲透系數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性。

與滲透系數(shù)相比，滲氣系數(shù)與滲透系數(shù)有良好的雙對(duì)數(shù)線性相關(guān)關(guān)系(劉錦陽等，2017)，相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.93以上，這一穩(wěn)定的規(guī)律使得黃土滲透系數(shù)準(zhǔn)確快速測(cè)定成為可能，在工程實(shí)踐中，無疑可以通過測(cè)定更易獲得的黃土滲氣系數(shù)，再通過其穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系推導(dǎo)其滲透系數(shù)，這樣不僅能夠大大縮短滲透系數(shù)的測(cè)試時(shí)間，而且由于滲氣系數(shù)的測(cè)試過程不受黃土水敏性的影響，不會(huì)對(duì)土體性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)造成損害，因此能夠獲得更為準(zhǔn)確的黃土滲透系數(shù)。

前人關(guān)于滲氣系數(shù)的研究多出自于地下儲(chǔ)氣庫建造(王其寬等，2020)、地下氣壓隧道法施工等工程實(shí)踐的需要。丁樸榮(1986)通過改進(jìn)的ZC-5型滲氣儀對(duì)青防滲墻的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，推導(dǎo)了滲氣系數(shù)計(jì)算公式。Tuli et al.(2005)通過對(duì)比飽和土樣和非飽和土樣滲氣性，發(fā)現(xiàn)飽和度顯著影響試樣滲氣系數(shù)。趙敏等(2015)研究發(fā)現(xiàn)非飽和黃土水、氣滲透特性具有良好的相關(guān)性。Chen et al.(2017)研究發(fā)現(xiàn)黃土滲氣系數(shù)與不同壓力下空氣飽和度有關(guān)，并提出了一種預(yù)測(cè)滲氣系數(shù)的模型。

與室內(nèi)滲氣測(cè)試方法相比，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，操作更為簡(jiǎn)單靈活，不需要采集土樣，避免了采集、運(yùn)輸、加工過程中可能對(duì)土體天然結(jié)構(gòu)的破壞，可以真實(shí)反映土體所處環(huán)境的實(shí)際特點(diǎn)，數(shù)據(jù)更為可靠(李喜安等，2019)。因此，也有學(xué)者對(duì)原位滲氣測(cè)試方法展開過一些研究。早在1947年Kirkham(1947)就在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上嘗試過一種插入式探頭的滲氣儀器用來測(cè)量原狀土體的滲氣系數(shù)。Eijpe et al.(1971)試制了一種小型接觸式探頭測(cè)量固結(jié)巖石和松散砂的滲氣性。Mosely et al.(1996)曾分析了基于不同形狀因子探頭的土壤滲氣系數(shù)的計(jì)算方法。曹淵等(2017)基于穩(wěn)態(tài)氣體滲流理論，研制了一種鉆孔式原位滲氣測(cè)量系統(tǒng)用于巖石滲透率的測(cè)定。Mohammadi et al.(2019)設(shè)計(jì)了一種在層流狀態(tài)下可測(cè)量不同壓力水平下滲氣系數(shù)的插入式便攜滲氣儀。以上這些研究多局限于對(duì)瀝青、混凝土、巖體等介質(zhì)的滲氣系數(shù)測(cè)定。然而，上述原位測(cè)試方法均未涉及黃土材料，且?guī)r石材料的滲透系數(shù)一般在量級(jí)上低于黃土，而土壤的滲透系數(shù)一般在量級(jí)上高于黃土，加之與這些介質(zhì)不同，黃土因具有獨(dú)特的水理性質(zhì)和強(qiáng)水敏性而使得其滲透系數(shù)的測(cè)定更容易帶來誤差，因此對(duì)其滲氣系數(shù)測(cè)試方法開展研究更具意義。因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^測(cè)定更易獲得的黃土滲氣系數(shù)，根據(jù)其與滲透系數(shù)的穩(wěn)定關(guān)系直接推導(dǎo)其滲透系數(shù)，這樣不僅能夠大大縮短滲透系數(shù)的測(cè)試時(shí)間，而且可以巧妙地避免因黃土水理性質(zhì)導(dǎo)致其微結(jié)構(gòu)改變而對(duì)滲透系數(shù)測(cè)試所帶來的誤差。為此我們?cè)谝酝难芯恐袑?duì)黃土滲氣系數(shù)的室內(nèi)測(cè)試方法開展過系列研究，測(cè)試方法已經(jīng)成熟(劉錦陽等，2017)。

鑒于目前對(duì)于黃土滲氣系數(shù)原位測(cè)試方法尚未有過專門報(bào)道，本文介紹了兩種黃土原位滲氣系數(shù)測(cè)試方法，原理及操作流程，并根據(jù)在黑方臺(tái)、延安和西安3個(gè)地區(qū)典型馬蘭黃土地層開展的一系列原位滲氣試驗(yàn)，探討了兩種原位滲氣測(cè)試方法的適用性。本文的研究為黃土滲氣系數(shù)原位測(cè)試方法在實(shí)踐中進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 黃土滲氣系數(shù)原位測(cè)試介紹

1.1 黃土滲氣系數(shù)原位測(cè)試方法及原理

原位滲氣儀的核心裝置與室內(nèi)滲氣儀相同，均為在改進(jìn)的ZC-2015滲氣儀(劉錦陽等，2017)原有1000 mL小氣室的基礎(chǔ)上增加了一個(gè) 10 000 mL的大氣室，將原來的測(cè)量范圍10-3～10-9m2擴(kuò)大到適于黃土的測(cè)試范圍10-10～10-16m2。圖1為ZC-2015滲氣儀簡(jiǎn)圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，利用真空泵抽氣，使U 形管中的水位上升到指定高度，系統(tǒng)此時(shí)呈負(fù)壓狀態(tài)，形成一定壓差。之后，打開閥門，壓差隨著空氣的進(jìn)入逐漸降低，水柱高度也隨之下降，最終當(dāng)氣體不再進(jìn)入，即儀器內(nèi)外壓差消失，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

圖1 滲氣系數(shù)測(cè)量?jī)x

測(cè)試時(shí)將原來連接室內(nèi)環(huán)刀的接口閥3直接與插入式和接觸式原位測(cè)試探頭相連。插入式原位滲氣探頭如圖2a所示，主要由環(huán)刀、擊實(shí)桿、擊實(shí)錘和下托盤組成，環(huán)刀高5 cm，寬7 cm，為減小插入式環(huán)刀對(duì)土體的擾動(dòng)作用，使用高強(qiáng)度特殊鋼制成厚度0.2 mm的環(huán)刀，為避免插入時(shí)環(huán)刀內(nèi)部形成過強(qiáng)的氣壓，在與環(huán)刀相連的上托盤表面設(shè)置排氣孔，擊實(shí)錘寬6 cm，高10 cm，重量2 kg，最大落距為44 cm，測(cè)試過程中氣體滲流場(chǎng)分布如圖2b所示。接觸式原位滲氣探頭如圖3a所示，其結(jié)構(gòu)主要是隔氣密封罩，其由底座和頂板組成，其間具有氣體通道，底座直徑為16.5 cm，包括圓形氣體滲流域和外部環(huán)形密封域，頂板下有密封劑填充腔由密封劑通道和底盤環(huán)形密封域連接，測(cè)試過程中氣體滲流場(chǎng)分布如圖3b所示。

圖2 插入式原位滲氣測(cè)試

圖3 接觸式原位滲氣測(cè)試

兩種探頭的測(cè)試依據(jù)的原理均是基于氣體質(zhì)量守恒及達(dá)西定律的微分形式，通過測(cè)定水柱下降不同高度所需要的時(shí)間和對(duì)應(yīng)的壓力差變化得出土體的滲氣系數(shù)。

由于原位滲氣試驗(yàn)中探頭的存在對(duì)土體計(jì)算模型有一定影響，因此引入形狀因子，使不同方法下滲氣系數(shù)的計(jì)算公式也有所差異。插入式滲氣測(cè)試的滲氣系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：L為探頭置于土層的長(zhǎng)度(m)；h為探頭表面距地表的深度(m)；r為探頭內(nèi)徑(m)。

對(duì)于接觸式滲氣試驗(yàn)，滲氣系數(shù)基于基本一致的假設(shè)條件且由于氣體低速滲流，其慣性系數(shù)可忽略不計(jì)。引入形狀因子推導(dǎo)的滲氣系數(shù)公式可以簡(jiǎn)化為如下形式：

(3)

式中：ra表示接觸式探頭測(cè)量密封區(qū)域內(nèi)半徑(m)，G0表示Darcy滲流的幾何因子，根據(jù)試驗(yàn)儀器可知G0=4.78；S表示對(duì)數(shù)壓力函數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線斜率，計(jì)算公式為：

(4)

1.2 黃土滲氣率原位測(cè)試儀操作流程

測(cè)試前視測(cè)試點(diǎn)附近浮土厚度清理表面浮土，形成所需平整的圓形工作面，按照要求安置探頭，將改進(jìn)的滲氣儀與原位測(cè)量探頭連接，然后設(shè)置數(shù)據(jù)采集起始和終止的儲(chǔ)氣室壓力條件并檢驗(yàn)裝置氣密性，之后按要求進(jìn)行試驗(yàn)，等到儲(chǔ)氣室壓力與大氣壓平衡后，測(cè)試結(jié)束，記錄儲(chǔ)氣室壓力變化，及所需時(shí)間，最后進(jìn)行滲氣系數(shù)計(jì)算。

對(duì)于接觸式探頭，露出的工作面直徑宜為17.5～21.5 cm。當(dāng)工作面為水平時(shí)，探頭直接與待測(cè)土樣的表面接觸，將探頭隔氣密封腔注滿密封劑，然后在土層和探頭底部接觸面均勻填充一定厚度的密封劑，當(dāng)工作面為垂直時(shí)，為了確保底盤與土層之間的密封性，還需在底盤的外側(cè)施加外力，并在下方設(shè)置支撐(圖4)。接觸式方法只需將探頭與非臨空地面緊密接觸，對(duì)土體的擾動(dòng)相對(duì)較小。

圖4 接觸式探頭作用于垂直面示意圖

對(duì)于插入式探頭，露出的工作面直徑宜為8～12 cm。當(dāng)工作面為水平時(shí)，為防止插入式探頭的環(huán)刀側(cè)壁繞流影響測(cè)量精度，需在環(huán)刀側(cè)壁涂抹凡士林，然后將插入式探頭置于測(cè)試點(diǎn)土體表面，通過與探頭配套的擊實(shí)桿和擊實(shí)錘將探頭緩慢插入土體內(nèi)部直至探頭完全進(jìn)入土體。當(dāng)工作面為垂直時(shí)，在測(cè)試點(diǎn)處，可通過水平方向快速滑動(dòng)擊實(shí)錘對(duì)探頭施加外力使環(huán)刀插入土層。與接觸式探頭相比，插入式探頭在水平工作面和垂直工作面均不需另外支撐，且所需工作面直徑皆小于接觸式探頭，因此相比之下插入式探頭操作更為簡(jiǎn)便、靈活。

2 黃土滲氣系數(shù)原位測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)方案及黃土的基本物理指標(biāo)

原位滲氣測(cè)試選擇在黏黃土帶的陜西西安、延安，以及粉黃土帶的甘肅黑方臺(tái)3個(gè)黃土剖面上進(jìn)行。選定試驗(yàn)點(diǎn)，按上述試驗(yàn)步驟清理工作面，連接探頭，在選定剖面的2 m、4 m、6 m、8 m、10 m深度處先進(jìn)行垂直方向的接觸式原位滲氣測(cè)試和插入式原位滲氣測(cè)試，然后在相同位置處進(jìn)行水平方向上接觸式原位滲氣測(cè)試和插入式原位滲氣測(cè)試。最后在測(cè)試點(diǎn)附近對(duì)應(yīng)深度處取原狀黃土樣品，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，利用室內(nèi)滲氣儀(劉錦陽等，2017)進(jìn)行室內(nèi)原狀黃土垂直方向和水平方向的滲氣系數(shù)測(cè)定。

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)，對(duì)取回的黑方臺(tái)、延安、西安地區(qū)各剖面不同深度處黃土試樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到的基本物理指標(biāo)如表1(薛泉，2020)所示。通過烘干法測(cè)得含水率，比重瓶法測(cè)得土粒密度，環(huán)刀法測(cè)得密度，經(jīng)三相物質(zhì)相互關(guān)系換算得到干密度和充氣孔隙度，顆粒組成由Bettersize2000激光粒度儀測(cè)得。

表1 原狀黃土的基本物理指標(biāo)

2.2 插入式原位滲氣測(cè)試結(jié)果分析

圖5是插入式原位滲氣測(cè)試與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果隨深度變化對(duì)比圖，可以看出3個(gè)地區(qū)測(cè)得的插入式原位滲氣系數(shù)均稍大于室內(nèi)測(cè)定結(jié)果，但這種差異很小且隨著深度增加其值趨于一致。分析認(rèn)為，隨著深度的增加，黏粒含量逐漸增大且塑性增強(qiáng)，黃土的抗擾動(dòng)能力也隨之增強(qiáng)，因此插入式探頭因插入擾動(dòng)而帶來的誤差也愈來愈小。圖5還可以看出不同地區(qū)土樣的滲氣系數(shù)均隨著埋深的增加而減小，且在同一地區(qū)水平滲氣系數(shù)均稍大于垂直滲氣系數(shù)，亦即同一深度黃土的滲氣系數(shù)具有一定各向異性的性質(zhì)。

圖5 插入式原位滲氣測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果隨埋深變化對(duì)比圖

首先，在黃土沉積的過程中，隨著土層不斷沉積，上覆土層的自重壓力不斷增大，使下層土體顆粒破碎，加之長(zhǎng)期的成土化作用，粒間孔隙減小，干密度增大，孔隙連通性較差，因此滲氣系數(shù)隨著埋深的增大而減小。其次，天然土層在沉積過程中傾向于形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，土顆粒及由其組成的構(gòu)造單元在空間上排列趨于定向，尤其是扁平狀顆粒在排列時(shí)長(zhǎng)軸多平行于水平面，顆粒間水平方向接觸面更大，使得水平向滲氣系數(shù)略大于垂直向滲氣系數(shù)。這些與其他學(xué)者對(duì)黃土滲透性及其各向異性研究得出的規(guī)律相符合(洪勃等，2019；Hao et al.，2020)。再次，對(duì)比黑方臺(tái)、延安和西安3個(gè)地區(qū)的關(guān)系曲線可以明顯發(fā)現(xiàn)黑方臺(tái)黃土的滲氣系數(shù)最大，延安黃土次之，西安黃土最小，這一結(jié)果正好與黃土的區(qū)域分帶性相契合。西安位于黏黃土帶，其黏粒含量與黑方臺(tái)地區(qū)相比更多，其膠結(jié)更為緊密，充氣孔隙率低，氣流通過性較差，因此滲氣系數(shù)低。該規(guī)律與黃土滲透系數(shù)研究得到的規(guī)律一致，從圖6中3個(gè)地區(qū)原狀黃土電鏡掃描圖片可以對(duì)比看出：相同取樣深度和相同放大倍數(shù)下，可見黑方臺(tái)取樣點(diǎn)黃土孔隙較大，連通性好，砂粒較多，黏粒較少，所以滲氣性強(qiáng)。延安取樣點(diǎn)黃土粉粒和黏粒含量相對(duì)較多，其接觸方式多為間接點(diǎn)接觸和直接面接觸。西安取樣點(diǎn)黃土結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙較小，出現(xiàn)膠結(jié)物孔隙，粒組成分上粉粒及黏粒占據(jù)主導(dǎo)地位，形成膠結(jié)帶，接觸方式變?yōu)槊婺z結(jié)、直接面接觸等為主。正是由于黑方臺(tái)、延安和西安微觀結(jié)構(gòu)上的差異，使得3個(gè)地區(qū)氣流通過難易程度不同，造成黑方臺(tái)地區(qū)滲氣系數(shù)明顯大于延安和西安地區(qū)。

圖6 3個(gè)地區(qū)4 m深度處原狀黃土微觀電鏡圖片

圖7是插入式與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖?？梢钥闯?，插入式滲氣系數(shù)與室內(nèi)滲氣系數(shù)在西安和延安地區(qū)基本集中在x/y=1線附近，黑方臺(tái)的地區(qū)數(shù)據(jù)則相對(duì)離散，插入式試驗(yàn)結(jié)果總體略大于室內(nèi)滲氣試驗(yàn)結(jié)果，但差異仍然很小。

圖7 插入式原位滲氣測(cè)試與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

2.3 接觸式原位滲氣測(cè)試結(jié)果分析

圖8為接觸式滲氣測(cè)試與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可以看出滲氣系數(shù)在不同地區(qū)隨地層深度變化規(guī)律與前文所述基本一致，在黑方臺(tái)地區(qū)接觸性探頭測(cè)得的滲氣系數(shù)略小于插入式探頭測(cè)得的滲氣系數(shù)，同理，這也是由于黑方臺(tái)地區(qū)黏粒含量較少而塑性指數(shù)較小，插入式探頭插入土體時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)相對(duì)較大所致。

圖8 接觸式原位滲氣測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果隨埋深變化對(duì)比圖

圖9是接觸式滲氣試驗(yàn)與室內(nèi)原狀土滲氣試驗(yàn)測(cè)得的滲氣系數(shù)對(duì)比圖，可以看出接觸式原位滲氣試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。整體上看接觸式原位滲氣試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)離散程度更小，所示數(shù)據(jù)結(jié)果更集中于y/x=1線附近，可見一定程度上接觸式原位測(cè)試方法所獲得的結(jié)果精度更高。

圖9 接觸式原位滲氣測(cè)試與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

3 原位滲氣測(cè)試方法的適用條件分析

以室內(nèi)原狀黃土測(cè)得的滲氣系數(shù)為參考對(duì)象，繪制相同條件下接觸式原位滲氣測(cè)試和插入式原位滲氣測(cè)試得到的滲氣系數(shù)對(duì)比圖，如圖10所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)插入式原位滲氣系數(shù)都略大于接觸式原位滲氣系數(shù)，在西安和延安地區(qū)數(shù)據(jù)分布基本集中在x/y=1的附近，黑方臺(tái)地區(qū)較為離散，分析認(rèn)為在黏粒含量低，充氣孔隙度大的地區(qū)受插入式探頭擾動(dòng)大，在探頭插入過程中附近的顆粒容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，出現(xiàn)微裂隙，使插入式原位滲氣系數(shù)偏大。

圖10 接觸式滲氣測(cè)試與插入式滲氣測(cè)試測(cè)得的滲氣系數(shù)對(duì)比圖

插入式探頭在擊實(shí)錘的作用下進(jìn)入土體需要克服土顆粒間的膠結(jié)力及摩阻力，刀頭在剛剛插入土體時(shí)，由于應(yīng)力集中會(huì)在探頭附近土層表面形成一些細(xì)小裂縫，隨著探頭插入深度增加，微裂隙逐漸增多并向下擴(kuò)展，從而在一定程度上影響到滲氣系數(shù)的測(cè)定結(jié)果(圖11)。正因?yàn)槿绱?，黏粒含量愈高其?duì)應(yīng)的塑性亦愈強(qiáng)，插入帶來的擾動(dòng)則愈小；反之，黏粒含量愈低塑性愈弱，插入帶來的擾動(dòng)則會(huì)愈大。

圖11 插入式探頭對(duì)土層影響作用示意圖

圖12為測(cè)試點(diǎn)處，不同黏粒含量下插入式原位滲氣測(cè)試適用性范圍圖，可以發(fā)現(xiàn)黏粒含量與塑性指數(shù)之間存在明顯線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.926，對(duì)應(yīng)線性擬合曲線為y=2.126x-6.849，可以看出在黏粒含量為12.44%時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界塑性指數(shù)為11.2，同時(shí)滿足塑性指數(shù)大于11.2以及黏粒含量大于12.44%的土層對(duì)應(yīng)的插入式原位滲氣系數(shù)與室內(nèi)滲氣系數(shù)差值以及與接觸式原位滲氣系數(shù)差值都很小，垂直方向和水平方向水平差異都不超過8.0748×10-14m2。

圖12 插入式原位滲氣測(cè)試適用性范圍

總體來說，插入式原位滲氣試驗(yàn)測(cè)量速度快，操作最為方便，不僅可以在水平面土層測(cè)量滲氣系數(shù)，也可以在垂直面進(jìn)行測(cè)量，且需要的工作面小，是一種非常便捷的滲氣系數(shù)測(cè)量方法。但是由于試驗(yàn)原理使其適用性受限，其適用范圍主要取決于黏粒含量和土層抗擾動(dòng)能力。塑性指數(shù)是一種可以反映土層抗擾動(dòng)能力的綜合指標(biāo)，塑性指數(shù)愈大，表示土的粒徑愈小，親水礦物(如蒙脫石)或黏土顆粒愈多，可塑性和抗擾動(dòng)性越強(qiáng)。與黏粒含量和塑性相比，初始含水率與干密度對(duì)插入式探頭帶來的擾動(dòng)影響不大，這是因?yàn)樗鼈冎粫?huì)影響插入式探頭插入的難易程度，但并不能改變土的塑性。

4 結(jié) 論

本文通過在西安、延安和黑方臺(tái)3個(gè)地區(qū)黃土剖面開展插入式及接觸式原位滲氣測(cè)試，結(jié)合室內(nèi)滲氣測(cè)試，得到以下主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)插入式和接觸式原位滲氣測(cè)試與室內(nèi)滲氣測(cè)試結(jié)果均表明，隨著地層埋深的增大，滲氣系數(shù)逐漸減小，且減幅變緩。相同條件下，兩種原位滲氣測(cè)試方法得到的水平滲氣系數(shù)略大于垂直滲氣系數(shù)。

(2)滲氣系數(shù)受場(chǎng)地土體性質(zhì)影響，黑方臺(tái)、延安和西安地區(qū)黃土黏粒依次增高，塑性指數(shù)依次增大，相同深度處接觸式和插入式原位滲氣測(cè)試方法測(cè)得的滲氣系數(shù)在黑方臺(tái)、延安和西安地區(qū)依次減小。該結(jié)論與前人對(duì)黃土滲透系數(shù)和滲氣系數(shù)與黏粒含量關(guān)系研究所得到的規(guī)律一致。

(3)本文介紹的接觸式原位滲氣測(cè)試由于對(duì)土層擾動(dòng)小，因此基本不受黃土黏粒含量和塑性指數(shù)的影響，普遍適用于黑方臺(tái)、延安和西安地區(qū)黃土的滲氣系數(shù)測(cè)定。插入式原位滲氣測(cè)試快速便捷，需要的工作面小，不僅便于測(cè)試水平地層的滲氣系數(shù)，也便于作用在垂直面且無需輔助支撐。但由于插入式探頭對(duì)土體的擾動(dòng)作用，由黑方臺(tái)、延安和西安3個(gè)地區(qū)5個(gè)不同深度黃土地層測(cè)試結(jié)果表明該法更適于黏粒含量大于12.44%(塑性指數(shù)大于11.2)的黃土層，由于本文所測(cè)試的黃土黏粒含量范圍介于6.47%～25.29%之間且序列級(jí)差均勻，因此該結(jié)論對(duì)其他地區(qū)不同黏粒含量的黃土地層也具普適性。

原位滲氣測(cè)試可以有效減少人為擾動(dòng)影響，操作簡(jiǎn)單，不需進(jìn)行削樣制備，測(cè)量過程高效、便捷，因此具有良好的推廣應(yīng)用前景。本文介紹的兩種黃土原位滲氣系數(shù)測(cè)定方法及其適用范圍的初步確定為其在實(shí)踐中進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。