孫文靜, 劉 珂, 陳 超, 張孟喜

(上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444)

0 引 言

土力學(xué)是土木工程的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，土力學(xué)實驗是土力學(xué)課程教學(xué)中必不可少的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[1-2]。通過實驗以及動手操作，學(xué)生可以更深刻地理解和驗證土力學(xué)基本概念和原理，同時能培養(yǎng)學(xué)生的動手及解決實際問題的能力。土的滲透性是土力學(xué)的三大研究內(nèi)容之一，是“土力學(xué)”本科教學(xué)的重要內(nèi)容，也是難點之一[3-4]。

土體中孔隙的形狀和大小是極不規(guī)則的，因而水在土體孔隙中的滲透性是一種十分復(fù)雜的水流現(xiàn)象[5]。水在土中的滲透速度與試樣兩端面間的水頭差成正比，而與滲徑長度成反比[6-7]。

水流在滲流場內(nèi)的運動通常用流網(wǎng)表示。流網(wǎng)是在滲流場內(nèi)由流線和等勢線正交組成的網(wǎng)格狀曲線簇。流線是指水沿水頭(水位)降低方向運動的軌跡線，在穩(wěn)定流中軌跡上任一點的切線與此點的流動方向相重合。等勢線是測管水頭相同的點之連線。在各向同性介質(zhì)中，等勢線是與流線相互正交的等水位線[8]。流線軌跡上任一點可以反映水在滲流場中的運動方向以及流動速度，流線愈密集，表明該處的水力坡降愈大，滲透速度也愈大；流線愈稀疏，則水力坡降愈小，流速也愈小。滲流網(wǎng)較密處水力梯度較大，該處滲透力也大；不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同[9]。目前，人們通常用解析法、數(shù)值法和電模擬法來繪制流網(wǎng)[10]，但是這些方法比較復(fù)雜，不能在試驗中進行形象的模擬。

近年來，土力學(xué)典型問題的可視化已經(jīng)逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的重點關(guān)注。林偉岸等[11]以土體的主動、被動破壞為例，闡述了教學(xué)演示儀器的研制與實踐過程。沈揚等[12]自主研發(fā)了用以反映裂縫、沉陷等現(xiàn)象的可視化演示模型試驗系統(tǒng)；李光范等[13]結(jié)合太沙基一維固結(jié)理論和排水、固結(jié)過程，制作出有關(guān)太沙基一維固結(jié)理論的教學(xué)課件?？梢暬夹g(shù)被引入到實驗教學(xué)及科研中，在一定程度上改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，可以比較直觀、形象地演示土力學(xué)的部分現(xiàn)象，有利于激發(fā)學(xué)生對土力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣并深入理解相關(guān)概念。

土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形(滲透破壞)，表現(xiàn)出的基本類型有流土現(xiàn)象、管涌現(xiàn)象[14]。其中，流土現(xiàn)象是在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象[15]。只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中，破壞過程短，可導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動。管涌現(xiàn)象為一定級配的無黏性土中的細(xì)小顆粒，在滲流作用下，通過較大顆粒間的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道[16]。管涌的產(chǎn)生主要是因為有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)顆粒尺寸的孔隙通道以及足夠大的滲透力。通常發(fā)生在特定級配的無黏性土或分散性黏土。破壞過程相對較長，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口。

為配合本科生“土力學(xué)”教學(xué)，深化拓展“土力學(xué)”實驗教學(xué)內(nèi)容，作者研發(fā)了一套“土體滲流模型裝置”，可以向?qū)W生形象地展現(xiàn)滲流過程中土體中的流網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)滲流水頭差，還可觀察到流土、管涌等一系列實際工程破壞現(xiàn)象。同時，在滲流實驗教學(xué)過程中，還可以創(chuàng)造性地開展多種工況下的滲流試驗[17]，如改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標(biāo)，分析相關(guān)參數(shù)對試驗結(jié)果的影響。讓學(xué)生在創(chuàng)新性實驗教學(xué)過程中加深對土體滲流的理解與掌握。

1 土體滲流模型裝置的主要功能及組成

土體滲流模型試驗裝置實物圖如圖1(a)所示，示意圖如圖1(b)所示。該模型裝置包括安裝有可移動隔板的雙室有機玻璃容器和移動進排水裝置。

(a) 實物圖

(b) 示意圖

雙室有機玻璃容器中設(shè)有活動隔板，隔板與雙室有機玻璃容器側(cè)面結(jié)合處設(shè)有套槽，隔板在套槽中可移動，用于調(diào)節(jié)滲徑長度。套槽內(nèi)附有一層海綿墊，使隔板和套槽緊密結(jié)合在一起，起到密封效果。雙室有機玻璃容器正面容器壁中間和隔板結(jié)合處，標(biāo)有長度為450mm的毫米級刻度，底部為刻度起點。

雙室有機玻璃容器右側(cè)面上端有一個進水孔，下端有一排水孔，對外連接一個體變管，隔板右測的容器底部中心位置設(shè)有一個排水孔，排水孔與容器壁的內(nèi)壁交接處貼有濾砂層。

雙室有機玻璃容器左右兩側(cè)分別設(shè)有兩套移動排水裝置，用于調(diào)節(jié)左右兩室的水頭差。該移動排水裝置由材質(zhì)為彈簧鋼的鋼片(表面包裹一層塑膠膜)，置于上下兩端的鋼片盒和排水孔組合而成，排水孔與鋼片間空隙用硅膠密封，鋼片可以卷進鋼片盒里。雙室有機玻璃容器左、右側(cè)壁中間位置分別開有寬度為20 mm的豎向開口，側(cè)壁外側(cè)設(shè)有套槽，套槽內(nèi)附有海綿墊增加密封性。鋼片固定在套槽內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)鋼片盒上的旋桿可調(diào)節(jié)排水孔的位置。

使用該儀器不僅可以進行滲流場流網(wǎng)模擬試驗，觀察土體滲透變形，流土、管涌等現(xiàn)象，還可測量土的滲透系數(shù)，以及量測不同土體水力坡降和滲流速度的關(guān)系。

2 土體滲流模型裝置的應(yīng)用

2.1 滲流網(wǎng)中流線觀測

圖2為流網(wǎng)的示意圖，帶箭頭的實線為流線，與其正交的虛線為等勢線。進行流線觀測試驗時，把雙室有機玻璃容器中間隔板調(diào)到合適的位置，在雙室有機玻璃容器左右兩側(cè)放置適量的砂土。關(guān)閉底部排水孔的閥門及右側(cè)排水閥門，將左側(cè)排水孔調(diào)到土樣頂部位置并打開左側(cè)排水閥門，打開右側(cè)進水閥門使水位始終保持不變。在右側(cè)土樣的上表面與儀器正面壁的交接線處，等間距地用針管注入紅色液體，觀察水在滲流場中的滲流現(xiàn)象及流線圖，如圖3所示。

圖2 流網(wǎng)示意圖[14]

2.2 土的滲透變形試驗觀測

觀察土的滲透變形試驗時，對于流土現(xiàn)象：按2.1節(jié)的步驟調(diào)節(jié)有機玻璃容器中間隔板、調(diào)節(jié)兩側(cè)排水孔高度、關(guān)閉底部排水孔閥門，分別向雙室有機玻璃容器左右兩側(cè)放置適量的流土型土(右側(cè)土的高度高于左側(cè))，在兩側(cè)土的上部附一層粗骨料，打開進水孔，觀察流土現(xiàn)象，當(dāng)剛開始發(fā)生流土?xí)r，將右側(cè)移動排水孔調(diào)整到右側(cè)水位位置，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重流土現(xiàn)象時，將左側(cè)排水孔調(diào)到左側(cè)水位線位置。將觀察流土現(xiàn)象時使用的流土型土，換成顆粒粒徑相差較大的不均勻砂土，可以觀察土的管涌現(xiàn)象。把上部的粗骨料換成黏土，還可以觀察突涌現(xiàn)象。

2.3 土體滲透系數(shù)量測

測量土的滲透系數(shù)時，需把中間檔板下移到儀器最底部，把移動排水孔調(diào)到與進水孔齊平的位置，關(guān)閉底部排水孔的閥門，打開體變管的閥門，向隔板右側(cè)容器放入土，打開進水孔和移動排水孔。當(dāng)水位到達排水孔位置并穩(wěn)定時，打開底部排水孔，用量杯測量一段時間內(nèi)的滲水量，并用秒表計時。

2.4 改變滲流影響因素在模型試驗中的應(yīng)用

重復(fù)2.2的試驗步驟，調(diào)節(jié)移動排水孔，改變水力坡降，待水位線穩(wěn)定時，開始計時，并測量此段時間的透水量，得到不同水力坡降與滲流速度的關(guān)系[18]。改變土體類型，重新進行試驗，比較不同土體類型水力坡降與滲流速度的關(guān)系。

以上試驗方案具有一定的綜合性，以提高學(xué)生的綜合性實驗?zāi)芰槟康摹６?，又具有設(shè)計、創(chuàng)新性，讓學(xué)生在實驗方案的設(shè)計、儀器設(shè)備的選擇、實驗條件的確定等方面受到良好的訓(xùn)練。同時，讓學(xué)生可以更加直觀地觀測一些實際工程中發(fā)現(xiàn)的滲流變形現(xiàn)象，更好地掌握滲流理論。

3 實例分析

3.1 滲流網(wǎng)中流線及管涌、流土現(xiàn)象觀測試驗

圖3為利用研發(fā)的滲流模型試驗裝置記錄下的砂土滲流全過程，可以清晰地觀察到滲流場流線，同時，可以觀察到土體中的細(xì)顆粒沿著土體骨架顆粒間的孔道移動或被帶出土體，即管涌現(xiàn)象的發(fā)生。1～6 s時沒有觀察到土體發(fā)生明顯變化，只是在細(xì)部發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒沿粗顆粒骨架運移的現(xiàn)象。從第7 s開始，隨著滲流坡降繼續(xù)增大，管涌現(xiàn)象越來越明顯，第12 s時發(fā)生突涌、流土破壞，土體破壞，滲流模擬試驗結(jié)束。另外，將左側(cè)土體上部放置一層黏粒含量較多的土體進行滲流試驗，還可以觀測到滲流過程中黏土層被整體抬升，最終在薄弱點發(fā)生突涌現(xiàn)象。

通過該滲流模型試驗，學(xué)生可以非常直觀地觀察到滲流網(wǎng)中的流線以及工程中所遇到的管涌、流土、突涌現(xiàn)象，加深對土體滲流問題的理解與掌握。同時，在滲流實驗教學(xué)過程中，改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標(biāo)，開展更多實驗工況下的滲透試驗，引導(dǎo)學(xué)生們的創(chuàng)新思維，讓土力學(xué)的實驗教學(xué)更有趣味性。

3.2 土體滲透系數(shù)的量測

利用研發(fā)的滲流模型試驗裝置量測摻有少許黏粒砂土的滲透系數(shù)。試驗所用黏土和砂土的物理指標(biāo)如下：砂土比重Gs=2.65，平均粒徑D50=0.34 mm，不均勻系數(shù)Cu=1.97，最大干密度ρdmax=0.96，最小干密度ρdmin=0.73，壓縮指數(shù)Cc=0.08；黏土比重GS=2.72，液限wL=125%，塑限wp=30%，塑性指數(shù)IP=95。將黏土與砂土分別按干質(zhì)量比為30∶70、20∶80的兩種配合比混合，試驗采用去離子水。根據(jù)預(yù)設(shè)干密度、含水率配制所需土樣，將其放入滲流模型箱的右側(cè)，按上述2.3節(jié)的試驗步驟進行滲透系數(shù)測定試驗。

圖4為整理得到的黏土含量為20%和30%的兩種混合砂土的孔隙比與滲透系數(shù)在雙對數(shù)坐標(biāo)下的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯谕粨缴奥氏?，隨著孔隙比的增大，滲透系數(shù)也會隨之增大。相同孔隙比下，滲透系數(shù)隨著摻砂率的增大而增大。同時，對摻砂率α為70%，初始孔隙比為0.58的試樣用變水頭的方法進行滲透系數(shù)的測試[19]，測試結(jié)果為2×10-8cm/s，圖中用“◇”標(biāo)出?？梢缘贸觯脻B流模型試驗裝置所測得的滲透系數(shù)與變水頭方法測得的結(jié)果相近，這也證明了使用該滲流模型試驗裝置測試土體滲透系數(shù)的可行性。

圖4 含黏性砂土的滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律

4 結(jié) 語

本文研發(fā)了一種可調(diào)節(jié)水頭的滲流模型試驗裝置。該模型裝置可以進行滲流場流網(wǎng)模擬試驗；通過調(diào)節(jié)滲流水頭差，可以觀測土體滲透變形，如流土、管涌及突涌等一系列工程破壞現(xiàn)象；還可測量土的滲透系數(shù)，并得到不同土體水力坡降和滲流速度的關(guān)系；通過改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標(biāo)，還可以開展多種試驗工況下的滲流試驗，分析相關(guān)參數(shù)對試驗結(jié)果的影響，引導(dǎo)學(xué)生們的創(chuàng)新思維，讓“土力學(xué)”的實驗教學(xué)更有趣味性，寓教于樂，讓學(xué)生有樂趣去吸取知識。

該滲流模型試驗是對“土力學(xué)”教學(xué)的有益補充，目前，該試驗裝置已在上海大學(xué)“土力學(xué)”實驗教學(xué)中得到了成功應(yīng)用，依托于該裝置的實驗教學(xué)改變了以往單一的、以驗證性實驗項目為主的傳統(tǒng)巖土實驗教學(xué)模式，構(gòu)建了綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的“三性”巖土實驗教學(xué)新途徑。

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