孔綱強，孫學(xué)謹(jǐn)，劉漢龍，2，傅鈞義，王成青

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點試驗室，江蘇 南京 210098；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400450）

1 研究背景

人工合成透明土材料由透明固體顆粒及與其折射率一致的孔隙液體制配而成，以模擬天然飽和土體［1］。目前其國內(nèi)外最常用的固體顆粒材料為熔融石英砂，孔隙液體有混合油、溴化鈣溶液及蔗糖溶液等［2］。針對熔融石英砂制配成的透明土材料基本特性研究，Ezzein等［3］開展了熔融石英砂和混合油制配而成的透明土試樣的基本物理力學(xué)特性試驗，測得了其強度特性及壓縮特性等；筆者等開展了不同孔隙液體影響下，透明土試樣的強度特性［4］、壓縮特性［5］的差異比較及其與天然土體的相似性研究，以及不同孔隙液體折射率試驗［6］。不同學(xué)者采用不同的孔隙液體材料制配成透明土試樣并開展相關(guān)研究，但是透明土試樣之間的差異性缺少有效的比對，一定程度上限制了該項技術(shù)的普適性。然而，目前對于透明土的滲透特性的研究卻相對較少，尤其是針對不同孔隙液體條件下透明土試樣的滲透特性研究則相對更少。土體滲透特性是巖土工程研究的關(guān)鍵問題之一，其演化特性對土體強度與變形發(fā)揮著關(guān)鍵作用，與工程安全問題有密切關(guān)系［7］。因此，針對透明土滲透特性分析是非常有必要的。

近年來，在透明土試驗技術(shù)應(yīng)用方面，基于熔融石英砂制配成的透明土材料，相關(guān)工程技術(shù)人員著重開展了沉樁貫入［8］、隧道開挖［9］以及錨桿貫入［10］過程中土體內(nèi)部位移場研究。Bathurst等［11］開展了土工格柵與土相互作用問題的試驗研究，Ahmed等［12］開展了隧道開挖過程中土體變形問題的試驗研究，曹兆虎等［13］開展了沉樁過程中擠土效應(yīng)問題的試驗研究，齊昌廣等［14］開展了超長樁屈曲變形問題的試驗研究，筆者開展了復(fù)雜荷載形式下異形樁-土相互作用問題的試驗研究［15］。然而，已有研究中多針對土體內(nèi)部位移場規(guī)律開展應(yīng)用研究，對于透明土材料在土體內(nèi)部滲流場等方面的應(yīng)用研究卻相對較少。

透明土材料可以作為土體內(nèi)部滲透場可視化研究的重要手段之一，然而模擬結(jié)果的可靠性很大程度上，依賴于透明土材料的滲透特性與天然土體滲透特性之間的相似性。本文針對由熔融石英砂制配成的透明土材料的滲透特性開展系統(tǒng)研究，以期為依托透明土材料開展土體內(nèi)部滲透場模型試驗研究提供技術(shù)支撐。首先，開展透明土試樣常水頭滲透試驗；采用與透明土內(nèi)孔隙液體一致的液體進(jìn)行滲透，測得透明土在不同孔隙液體及不同粒徑、不同密實度情況下的滲透率，并與福建標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行對比分析。由于基于透明土材料進(jìn)行土體滲流場等相關(guān)研究時，往往滲透液體與制配透明土的孔隙液體性質(zhì)不同，本文還進(jìn)行了一組滲透液體為水的滲透試驗，測得水在不同孔隙液體制配成的透明土中的滲透過程。利用電滲法對3種透明土試樣內(nèi)部滲流場的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步對比分析，探討孔隙液體對滲透特性的影響。

2 試驗概況

本文試驗采用熔融石英砂（折射率為1.4585）模擬“土”顆粒，分別選擇3種典型液體（混合油、溴化鈣溶液、蔗糖溶液）作為孔隙液體；孔隙液體的折射率調(diào)配至與“土”顆粒折射率一致，均為1.4585。首先針對3種典型液體制配成的透明土試樣的滲透特性進(jìn)行系統(tǒng)測試，同時開展福建標(biāo)準(zhǔn)砂的常水頭滲透試驗作為對比分析；然后對其進(jìn)行電滲模型試驗，著重對比分析孔隙液體種類對土體內(nèi)部滲透場的影響規(guī)律。

2.1 透明土試樣制配及福建標(biāo)準(zhǔn)砂 熔融石英砂及福建標(biāo)準(zhǔn)砂顆分試驗結(jié)果如圖1所示。基于比重瓶法，測得熔融石英砂的平均比重約為2.14，約為福建標(biāo)準(zhǔn)砂比重（2.65［16］）的80.8%?；诼┒贩ê驼駬舴?，分別測得的最小與最大干密度值如表1所示。

表1 固體顆粒最大、最小孔隙比

2.2 滲透試驗裝置 參照《土工試驗規(guī)程》［16］要求測定土體滲透性能，常水頭試驗通常使用TST-70型滲透儀，其中封底圓筒的橫截面內(nèi)徑尺寸為9.44 cm（內(nèi)截面積A=70 cm2），設(shè)備總高40 cm，底部金屬板孔以上為32 cm。裝置一側(cè)設(shè)置有3個測壓管，用于測定滲流至不同位置處的水頭，測壓管相鄰中心距L=10 cm。

與天然飽和土體不同，制配透明土所采用的孔隙液體與天然土體中的孔隙水不同。因此，通過在TST-70型滲透儀上方接入裝有制配透明土的孔隙液體的容器作常水頭，如圖2所示。

圖1 顆粒分析試驗曲線

圖2 常水頭試驗裝置

2.3 電滲模型試驗裝置與步驟 電滲模型試驗裝置，由阻尼式隔振光學(xué)平臺、直流電源、電極、CCD相機及計算機（包括CCD相機自帶控制軟件MV-capture和PIV圖像后處理軟件）等部分組成。直流電源為深圳兆信RXN-605D可調(diào)直流電源，可調(diào)輸出電壓為0～60 V，可調(diào)輸出電流為0～5 A，電極為兩根銅管。模型槽內(nèi)試樣尺寸為400 mm×30 mm×55 mm（長×寬×高）［17］。

電滲法透明土模型試驗按以下步驟進(jìn)行：（1）試樣制配和儀器檢查。選用0.5～1.0 mm粒徑的熔融石英砂，根據(jù)試樣的設(shè)計密實度和體積，稱出熔融石英砂質(zhì)量。配制相同折射率的混合油、溴化鈣溶液及蔗糖溶液等3種典型孔隙液體。配制并稱取1 mol/L濃度的氯化鈣（CaCl2）溶液。檢查模型槽和電源：檢查模型槽四周是否漏水，檢查電源是否正常工作，電壓電流顯示是否正常。（2）分層裝樣。先在模型槽里倒入孔隙液體，然后將熔融石英砂分層緩慢傾倒入孔隙液體中，并用玻璃棒不斷攪拌，保持液體水平面略高于熔融石英砂顆粒表面。如此分批分層裝樣，并用木錘壓實，確保密實度；試樣相對密實度約為30%。（3）進(jìn)行電滲并拍照記錄。在土樣兩端位置處插入銅電極，并接到直流電源上（電源正極的為陽極，負(fù)極為陰極）。從陽極銅管處通入氯化鈣溶液200 ml，而后打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電壓，此時土樣中開始通電，進(jìn)行電滲，同時用CCD相機連通電腦用MV-capture軟件從試樣正前方和上方進(jìn)行拍攝，每隔5 s拍攝一次。（4）數(shù)據(jù)圖像處理。滲流過程透明度發(fā)生變化，用CCD相機進(jìn)行拍攝，然后用PIV View2軟件對CCD相機所拍攝的照片進(jìn)行處理，分析探討不同孔隙液體對土體電滲過程中滲流場的影響規(guī)律。

2.4 試驗方案與工況設(shè)計 針對不同孔隙液體、相對密實度及粒徑范圍的透明土試樣進(jìn)行常水頭滲透試驗，測定其滲透系數(shù)，根據(jù)孔隙液體密度和黏滯性換算出試樣的滲透率，并與福建標(biāo)準(zhǔn)砂試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。由于基于透明土材料進(jìn)行土體滲流場相關(guān)研究時，往往滲透液體與制配透明土的孔隙液體性質(zhì)不同，還增加了一組滲透液體為水的滲透試驗，初步探討其在不同孔隙液體、相對密實度、及粒徑范圍的透明土試樣中的滲透過程。探討不同孔隙液體對透明土材料電滲模型試驗過程中滲流場影響規(guī)律時，分別考慮了電壓、電滲時間等因素影響；電極間距均為40 cm，通電時間為2 h。滲透試驗與電滲模型試驗工況設(shè)計分別如表2、表3所示。

表2 滲透試驗工況

表3 電滲模型試驗滲流場對比分析工況

3 滲透試驗結(jié)果與分析

3.1 孔隙液體對滲透特性的影響 滲透液體為水或者與孔隙液體一致情況下，不同孔隙液體制配成的透明土試樣滲透系數(shù)對比圖及滲出液體濃度（體積比）與時間關(guān)系曲線分別如圖3和圖4所示。

由圖3可見，混合油、溴化鈣溶液、蔗糖溶液和水等不同孔隙液體制配的透明土滲透系數(shù)有明顯區(qū)別，蔗糖溶液制配的透明土的滲透系數(shù)為2.42×10-4～4.66×10-3cm/s，混合油的1.05×10-3～1.75×10-2cm/s，溴化鈣溶液的滲透系數(shù)為1.93×10-3～7.33×10-2cm/s，且這3種孔隙液體在熔融石英砂中的滲透系數(shù)均比水在熔融石英砂中的滲透系數(shù)?。?.12×10-2～2.85×10-1cm/s）；這主要與孔隙液體的黏滯系數(shù)相關(guān)。常溫下蔗糖溶液、混合油、溴化鈣溶液和水的黏滯系數(shù)是依次減小的，溶液的黏滯系數(shù)越大，該溶液在土體中的滲透越慢。福建標(biāo)準(zhǔn)砂滲透系數(shù)為3.39×10-2cm/s，混合油、溴化鈣溶液制配成的透明土滲透系數(shù)與福建標(biāo)準(zhǔn)砂的滲透系數(shù)相對接近。根據(jù)滲透系數(shù)計算公式（1），可以換算出扣除流體密度和黏滯性影響的滲流率值K。

式中：k為滲透系數(shù)，m/s；K為固有滲透率，m2；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體黏滯系數(shù)，Pa·s；η為動力黏滯系數(shù)，m2/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

由式（1）可得，蔗糖溶液配制的透明土試樣滲透率為2.74×10-7～5.28×10-6cm2，混合油制配的透明土試樣滲透率為2.98×10-7～4.96×10-6cm2，溴化鈣溶液配制的透明土試樣滲透率相對較小，為3.08×10-8～1.17×10-6cm2。水在熔融石英砂中的滲透率為1.14×10-7～2.91×10-6cm2，與蔗糖溶液、混合油等兩種透明土試樣滲透率值相近。

圖3 孔隙液體對滲透系數(shù)影響

圖4 滲出液體濃度（體積比）與時間關(guān)系曲線

同一種孔隙液體中0.075～1.0 mm的熔融石英砂滲透率最小，0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm兩個粒徑總體上滲透率相接近，這主要與粒徑大小和級配、孔隙比等有關(guān)，0.075～1.0 mm的熔融石英砂細(xì)粒含量較多，且孔隙比相對較小。文獻(xiàn)［18］研究結(jié)果表明，滲透率與顆粒級配特征值d20和曲率系數(shù)有關(guān)，分析計算0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm兩個粒徑的d20和曲率系數(shù)相近，所以其滲透率也相近。飽和福建標(biāo)準(zhǔn)砂的滲透系數(shù)（3.39×10-2cm/s）略大于水飽和0.075～1.0 mm的熔融石英砂（滲透系數(shù)為1.12×10-2cm/s），小于水飽和0.25～5.0 mm（滲透系數(shù)為2.55×10-1cm/s）與0.5～1.0 mm（滲透系數(shù)為2.85×10-1cm/s）的熔融石英砂試樣。

當(dāng)滲透液體為水時，不同孔隙液體制配的透明土試樣滲出液體濃度（體積比）隨時間變化的對比曲線如圖4所示。其中，蔗糖溶液和溴化鈣溶液濃度變化通過阿貝折射儀測定其25℃下的折射率，然后根據(jù)文獻(xiàn)［4］的孔隙液體折射率與濃度關(guān)系曲線，確定出溶液濃度；混合油由于與水不互溶，所以流出的溶液靜置一段時間之后會有明顯分層現(xiàn)象，混合油密度較小在上層，水密度較大在下層，用量筒測定其體積比；當(dāng)孔隙液體為蔗糖溶液或溴化鈣溶液時，通過測量滲流出來的溶液的濃度來計算滲流液體（水）與孔隙液體各自所占的比例。由圖4可見，0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm兩種粒徑材料，當(dāng)孔隙液體分別為溴化鈣溶液、混合油和蔗糖溶液時，滲出液體濃度（體積比）達(dá)到峰值的時間接近。但是，0.075～1.0 mm粒徑材料，當(dāng)孔隙液體分別為溴化鈣溶液、混合油時，滲出液體濃度（體積比）約在滲流30 min后達(dá)到峰值，而孔隙液體為蔗糖溶液時，蔗糖濃度呈現(xiàn)一直上升的趨勢。這應(yīng)該是由于蔗糖溶液黏度高，且0.075～1.0 mm粒徑滲透系數(shù)小，蔗糖溶液較難流出的原因。

3.2 相對密實度對滲透特性的影響 圖5是混合油制配的透明土試樣（0.075～1.0 mm、0.25～5.0 mm、0.5～1.0 mm）與福建標(biāo)準(zhǔn)砂水樣在兩種相對密實度下滲透系數(shù)對比圖。由圖5可見，相對密實度較大的透明土試樣，滲透系數(shù)小，即隨著干密度增大，滲透系數(shù)隨之減小，規(guī)律與福建標(biāo)準(zhǔn)砂一致。這主要是因為土樣孔隙比隨相對密實度增大而減小，這與文獻(xiàn)［18］研究結(jié)果相符：滲透系數(shù)因干密度的增大而減小。標(biāo)準(zhǔn)砂的滲透系數(shù)相比較透明土試樣要大，主要是因為其滲透液體是水，而水的黏滯性比混合油小，所以滲透系數(shù)大。

當(dāng)滲透液體與孔隙液體不一致時，混合油制配的不同密實度的0.5～1.0 mm的透明土試樣滲出液體體積比隨時間變化的對比曲線如圖6所示。由圖6可見，在3個不同的相對密實度下，均在開始滲流的第8 min左右，滲流出的混合油比例達(dá)到峰值，說明混合油基本滲透完了。

圖5 相對密實度對滲透系數(shù)影響

圖6 相對密實度對滲出液體體積比與時間關(guān)系影響曲線

3.3 粒徑對滲透特性的影響 當(dāng)滲透液體與孔隙液體不一致時，不同粒徑的透明土試樣滲出液體濃度（體積比）隨時間變化的對比曲線如圖7所示。由圖7可知，在相近的密實度下，0.25～5.0 mm的透明土試樣滲出液體濃度（體積比）最快達(dá)到峰值，約在滲流開始5 min后；0.5～1.0 mm次之，約在滲流開始10 min后，而0.075～1.0 mm粒徑的試樣在不同溶液中表現(xiàn)的滲透特性有很大的不同：孔隙液體為溴化鈣溶液或混合油時，在開始滲流之后的30 min左右滲出液體濃度（體積比）達(dá)到了峰值，但是在蔗糖溶液中持續(xù)滲透2.5 h還未出現(xiàn)峰值，蔗糖濃度一直上升。這很大程度是因為0.075～1.0 mm粒徑滲透系數(shù)小，且蔗糖溶液黏度高，蔗糖溶液較難流出的原因。

圖7 粒徑對滲出液體濃度（體積比）與時間關(guān)系影響曲線

4 電滲模型試驗結(jié)果與分析

4.1 孔隙液體對土體內(nèi)部滲流場的影響 由2.3節(jié)可知，對于0.5～1.0 mm粒徑的透明土試樣，約在滲透液體開始滲透10 min后孔隙液體基本滲透完。因此，選取對混合油、溴化鈣溶液及蔗糖溶液制配的透明土試樣電滲10 min后液體滲流流速矢量圖和水平位移等值線圖進(jìn)行了分析，如圖8所示。由圖8可知，液體滲流從陽極向陰極發(fā)生，且混合油、蔗糖溶液制配的透明土試樣中液體滲流流速較大，約達(dá)到0.3～0.4 mm/min，局部流速更大。溴化鈣溶液制配的透明土試樣中液體滲流流速較小。整體上，混合油、蔗糖溶液制配的透明土中液體滲流流速較大，溴化鈣溶液制配的透明土試樣中液體滲流流速較小，達(dá)到0.1～0.2 mm/min左右。這表明不同孔隙液體制配成的透明土試樣電滲法模型試驗過程中，溴化鈣溶液制配的透明土試樣中滲流場沒有混合油及蔗糖溶液制配的透明土試樣中現(xiàn)象明顯，這可能是由于當(dāng)孔隙液體為溴化鈣溶液時，Br-的存在，對電滲過程有一定影響。

圖8 三種透明土試樣電滲10min時流速矢量圖與水平位移輪廓

4.2 電壓及電滲時間對土體內(nèi)部滲流場的影響 以混合油制配成的透明土試樣為例，當(dāng)電極間距均為40 cm，通電時間為10 min時，15、25和35 V等3種電壓情況下，由混合油制配的透明土試樣，液體滲流流速矢量圖和水平位移等值線圖如圖9所示。由圖9可知，液體滲流整體上從陽極向陰極發(fā)生，局部位置由于相對密實度、粒徑等因素影響略有偏向；不同電壓條件下，混合油制配的透明土中液體滲流流速最大達(dá)到0.3～0.4 mm/min；電壓幅值對滲流流速影響不明顯，這可能是由于透明土試樣中的離子量總量一致所造成的。

圖9 不同電壓下電滲10min時流速矢量圖與水平位移輪廓

選擇電滲時間分別為2、5和10 min時，進(jìn)行圖像處理對比。混合油制配的透明土試樣在35 V電壓下，注入200 ml CaCl2溶液電滲2、5和10 min后，液體滲流流速矢量圖和水平位移等值線圖如圖10所示。由圖10可見，流速矢量圖整體是由陽極向陰極移動，隨著電滲時間增加，液體滲流位移量有所增加。電滲2 min后，液體滲流位移量達(dá)到1 mm；電滲5 min后，液體滲流位移量達(dá)到3 mm；電滲10 min后，液體滲流位移量達(dá)到4 mm左右；液體滲流流速隨時間非線性變化，大致變化趨勢是先增大后減小。

圖10 電滲不同時刻的流速矢量圖與水平位移輪廓

5 結(jié)論

本文針對熔融石英砂與3種典型孔隙液體制配成的透明土試樣，開展了系列滲透特性測試，測得透明土材料在不同孔隙液體及不同粒徑、不同密實度情況下的滲透系數(shù)及滲透與時間變化過程，并與福建標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行了對比分析。續(xù)而開展了電滲模型試驗，初步探討了孔隙液體種類對透明土內(nèi)部滲流場的影響規(guī)律，可以得到如下幾點結(jié)論：（1）溴化鈣溶液、混合油和蔗糖溶液制配成的透明土試樣滲透率依次增大，混合油、蔗糖溶液制配成的透明土試樣滲透率與福建標(biāo)準(zhǔn)砂的滲透率相對相近；（2）當(dāng)滲透液體與孔隙液體不一致時，與常規(guī)的常水頭試驗不太相符，所以用滲出的液體濃度進(jìn)行現(xiàn)象描述。水在透明土試樣進(jìn)行滲透時，0.25～5.0 mm的透明土試樣滲出液體濃度（體積比）最快達(dá)到峰值，約在滲流開始5 min后；0.5～1.0 mm約在滲流開始10 min后達(dá)到峰值；0.075～1.0 mm粒徑的透明土試樣在不同溶液中表現(xiàn)出不同的滲透特性：孔隙液體為溴化鈣溶液和混合油時，在開始滲流之后約30 min，滲出液體濃度（體積比）達(dá)到了峰值，但在蔗糖溶液中持續(xù)滲透2.5 h蔗糖濃度仍一直上升；（3）溴化鈣溶液制配的透明土試樣中液體滲流，較混合油及蔗糖溶液制配的透明土中的現(xiàn)象相對不明顯一些?；旌嫌汀⒄崽侨芤褐婆涞耐该魍林幸后w滲流位移量達(dá)到3～4 mm；溴化鈣溶液制配的透明土中液體滲流位移量達(dá)到1～2 mm。

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