武亞軍， 李俊鵬， 姜海波， 孔綱強(qiáng)

(1.上海大學(xué) 土木工程系, 上海 200444； 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098)

天然土體對(duì)可見(jiàn)光不透明，模型試驗(yàn)過(guò)程中很難直接觀測(cè)到土體內(nèi)部變形和位移路徑.人工合成的透明土具有與天然土體相似的物理力學(xué)特性，將人工合成的透明土結(jié)合光學(xué)觀測(cè)技術(shù)和圖像處理技術(shù)可以深入研究土體內(nèi)部位移場(chǎng)與滲流場(chǎng)的變化規(guī)律[1-2].Yuan等[3]開(kāi)展了三維透明土模型試驗(yàn)，得到了樁-土復(fù)合地基在外荷載作用下的三維位移場(chǎng).Wang等[4]采用透明土進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究了基坑降水過(guò)程中防滲墻和抽油井的耦合效應(yīng).Zhao等[5]對(duì)有樁帽和無(wú)樁帽的單樁分別進(jìn)行了一系列的室內(nèi)小型透明土模型試驗(yàn)，研究了樁帽效應(yīng)、樁徑效應(yīng)和樁長(zhǎng)效應(yīng).Sui等[6]通過(guò)透明土試驗(yàn)來(lái)觀察水位下降過(guò)程中邊坡的破壞過(guò)程，利用PIV技術(shù)對(duì)透明土顆粒位移進(jìn)行了測(cè)量，并使用有機(jī)染料來(lái)跟蹤斜坡內(nèi)液體的流動(dòng)路徑.

以上這些研究都集中在模擬砂性土的特性方面，關(guān)于透明黏土及與之相關(guān)的研究主要包括:Iskander等[7]利用無(wú)定形硅粉和具有相應(yīng)折射率的孔隙流體制配并研究出了物理力學(xué)性質(zhì)與普通黏土相似的透明黏土.Liu[8]進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)透明土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與典型黏土相似.宮全美等[9]采用白礦油和十二烷混合液與無(wú)定形硅粉制配成透明土以模擬黏性土，驗(yàn)證了透明黏土應(yīng)用于模型試驗(yàn)研究的可行性.姜海波等[10]開(kāi)展了超軟土真空預(yù)壓透明土模型試驗(yàn)，結(jié)合可視化技術(shù)研究了塑料排水板周?chē)耐翗兜男纬蓹C(jī)理.

事實(shí)上，透明黏土的性質(zhì)與其顆粒組成密切相關(guān)，顆粒級(jí)配往往決定了變形、滲透、強(qiáng)度等物理力學(xué)特性[11].然而，目前已有研究多集中在對(duì)某一種透明黏土的綜合特性以及采用已經(jīng)制配好的透明黏土進(jìn)行一些特定的試驗(yàn)研究方面，往往忽略了顆粒級(jí)配對(duì)透明黏土性質(zhì)的影響.為了探明顆粒級(jí)配對(duì)透明黏土性質(zhì)，特別是固結(jié)與滲透特性的影響，采用更合適的透明黏土開(kāi)展相關(guān)研究，本文對(duì)6種不同粒徑分布下的無(wú)定形硅粉類(lèi)透明黏土進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)，圍繞其粒徑分布、壓縮固結(jié)和滲透特性等展開(kāi)對(duì)比分析，探討顆粒級(jí)配對(duì)透明黏土性質(zhì)的影響.

1 透明土的制配與試驗(yàn)方案

1.1 透明土的制配

將5#白礦物油和正十二烷混合均勻制配孔隙液體，用阿貝折射儀測(cè)定混合液體的折射率，并調(diào)試兩種液體比例，保證混合液與無(wú)定形硅石粉末的折射率相匹配.將質(zhì)量比為1∶7的無(wú)定形硅粉與孔隙液體攪拌混合至均勻黏稠狀，然后置于密封桶中進(jìn)行抽真空，去除試樣中產(chǎn)生的氣泡，使之達(dá)到飽和狀態(tài)；為了使試樣在自重作用下充分固液分離，將除氣后的試樣靜置48 h，之后吸走上清液，取余下部分作為試驗(yàn)土樣.

1.2 試驗(yàn)方案

制配土樣時(shí)選用不同粒徑的無(wú)定形硅粉，包括:0.075，0.020，0.005，0.003，0.001 mm.同時(shí)，為了完善透明土的顆粒級(jí)配，添加0.4～0.8，0.2～0.4 和0.1～0.2 mm的熔融石英砂.熔融石英砂的折射率與無(wú)定形硅粉基本一致，因此，兩者可以混合用于制配透明土樣.通過(guò)調(diào)整各粒徑無(wú)定形硅粉和熔融石英砂的質(zhì)量占比，獲得6種不同級(jí)配的土樣，分別命名為土樣A，B，C，D，E，F(xiàn).

為定量描述各級(jí)配土樣內(nèi)的粒組分布情況，將粒徑大于0.075 mm，0.075～0.005 mm和小于0.005 mm的顆粒含量列于表1.將三個(gè)粒組內(nèi)的顆粒分別稱(chēng)為砂粒、粉粒和黏粒，將粉粒和黏粒的質(zhì)量比稱(chēng)為粉黏比，6組透明土樣 (A～F) 不同粒徑的占比見(jiàn)表1.

表1 無(wú)定形硅粉顆?；局笜?biāo)

不同級(jí)配的透明土樣的粒徑分布曲線如圖1所示.由于制作工藝限制，無(wú)定形硅粉的顆粒粒徑并不是定值，其實(shí)際粒徑的波動(dòng)范圍可能較大.因此，本文以實(shí)際測(cè)定的顆粒分布情況為準(zhǔn). 為突出各個(gè)土樣粒徑分布特征之間的主要區(qū)別，將6 個(gè)土樣分為:組1 (土樣A，B，C)和組2 (土樣D，E，F(xiàn)).組1透明土樣的砂粒含量基本一致，粉黏比不同.組2透明土樣的粉黏比相同，砂粒含量不同.

圖1 組1和組2的粒徑分布曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

透明土試樣制配完成后，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)[12]進(jìn)行滲透試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，并對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

2.1 滲透特性分析

圖2為各級(jí)配透明土試樣滲透系數(shù)k與孔隙比e之間的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線.由圖2可知，滲透系數(shù)k和孔隙比e的關(guān)系近似線性.隨著孔隙比的減小，各級(jí)配透明土的滲透系數(shù)k均降低，數(shù)值在10-4～10-7cm/s內(nèi)變化.隨著黏粒含量的增加，在骨架顆粒周?chē)酿ちＶ饾u聚集，骨架顆粒排列變得緊密.土樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙通道增多，大孔隙通道相對(duì)減少.透明土樣的粉黏比越大，滲透系數(shù)越大；砂粒含量越高，滲透系數(shù)越大，與天然土體的規(guī)律基本一致[13].事實(shí)上，透明土內(nèi)孔隙液體的運(yùn)動(dòng)黏滯度要高于自然界中的水，但試驗(yàn)結(jié)果表明透明土的滲透系數(shù)較同等孔隙比下的天然黏土高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[14].本文認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因主要是透明土中不存在類(lèi)似天然黏性土中的結(jié)合水膜.

圖2 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化曲線

天然黏土的黏土顆粒表面帶有一定的電荷，同時(shí)自然界的水中含有各種水化離子和水分子.由于靜電作用力，在黏土顆粒表面會(huì)形成吸附水膜，吸附水膜的存在會(huì)減小土體中的孔隙的有效半徑，該部分吸著水的存在會(huì)降低土體的滲透性.而本文中透明黏土的孔隙液體為白礦物油和正十二烷的混合液體，是由非極性子溶液組成的油脂，其內(nèi)無(wú)電子活性或電子活性很小.同時(shí)，模擬土顆粒的無(wú)定形硅粉顆粒表面不帶電荷，顆粒表面也就沒(méi)有類(lèi)似天然黏性土中結(jié)合水膜的存在.因此，相同孔隙比下，透明土具有比天然黏性土更大的滲透系數(shù).

透明黏土的滲透系數(shù)比相同孔隙比下的天然黏土在數(shù)值上高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，但滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律與天然土體的試驗(yàn)結(jié)果基本一致[13].黏粒含量越高，滲透系數(shù)越??；砂粒含量越高，滲透系數(shù)越大.試驗(yàn)結(jié)果表明選用透明黏土研究天然黏土內(nèi)部滲透規(guī)律是可行的，同時(shí)可大大縮短滲透試驗(yàn)時(shí)間.

2.2 壓縮固結(jié)特性分析

圖3和圖4分別為6組土樣的e-p和e-lgp曲線，反映孔隙比e隨荷載p的變化情況.各級(jí)配土樣的e-p曲線都是上凹的平滑曲線，且在加載的初期對(duì)所施加的荷載較為敏感，表明無(wú)定形硅粉類(lèi)透明土類(lèi)似于欠固結(jié)土.

將計(jì)算得出的各級(jí)配透明土樣的壓縮指標(biāo)列于表2.6組透明黏土的壓縮模量Es1-2(100～200 kPa 壓力級(jí)別下的壓縮模量) 的變化范圍為1.054～2.256 MPa.回彈指數(shù)Cr的變化范圍分別為0.038～0.088，壓縮指數(shù)Cc的變化范圍為0.212～0.507.Cr/Cc的變化范圍為0.15～0.18，與文獻(xiàn)[15]得到的天然黏性土Cr/Cc值范圍0.02～0.2比較接近.按照壓縮性指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，本文制配的各級(jí)配下的透明土均屬于高壓縮性黏土.

2.2.1 壓縮模量變化規(guī)律

各透明土樣不同壓力級(jí)別范圍內(nèi)的壓縮模量Es與荷載p的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可知，透明黏土的壓縮模量隨著荷載由0 kPa 增到 800 kPa而逐漸增大，這種變化規(guī)律與上海重塑黏土[17]一致.

圖3 組1和組2的土樣壓縮e-p曲線

圖4 組1和組2的土樣壓縮e-lg p曲線

表2 不同級(jí)配透明黏土的壓縮性指標(biāo)

當(dāng)土體中的砂粒含量相同時(shí)，粉黏比會(huì)對(duì)土體的壓縮性產(chǎn)生較大影響.為了直觀地反映土體壓縮模量隨粉黏比的變化規(guī)律，將壓縮模量Es1-2與粉黏比關(guān)系曲線繪于圖6.由圖6可知，無(wú)定形硅粉類(lèi)透明土 (土樣A，B，C) 的粉黏比對(duì)其壓縮模量有較大影響，隨著粉黏比的增大，土體的壓縮模量逐漸增大.總體來(lái)說(shuō)，透明黏土的壓縮性隨著粉黏比的增大而降低.

當(dāng)粉黏比相同時(shí)，砂粒含量也會(huì)對(duì)土體的壓縮性產(chǎn)生較大影響，將壓縮模量Es1-2與砂粒含量關(guān)系曲線繪于圖7.由圖7可知，無(wú)定形硅粉透明土 (土樣D，E，F(xiàn)) 的砂粒含量對(duì)其壓縮模量有明顯影響.隨著砂粒含量的增加，土體的壓縮模量逐漸增大.總體來(lái)說(shuō)，透明黏土的壓縮性隨砂粒含量的增加而降低，說(shuō)明砂粒在土體中具有一定的骨架作用.隨著砂粒含量的增多，土體的壓縮性降低，這一規(guī)律與天然土體基本一致[18-19].

2.2.2 固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律

固結(jié)系數(shù)的大小能夠直觀反映土體的固結(jié)快慢程度，因此，準(zhǔn)確測(cè)定固結(jié)系數(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)土層的排水固結(jié)速率和固結(jié)度有重要意義.本文采用時(shí)間平方根法計(jì)算得各級(jí)配土樣在各級(jí)荷載下的固結(jié)系數(shù).荷載由小到大取5個(gè)等級(jí)，分別為50，100，200，400，800 kPa.為了研究固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化規(guī)律，這里給出了各個(gè)土樣固結(jié)系數(shù)Cv隨荷載p的變化曲線，如圖8所示.

圖5 壓縮模量變化曲線

圖6 壓縮模量與粉黏比關(guān)系曲線

圖7 壓縮模量與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

由圖8可知，透明土的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的增加總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，其中土樣A，B的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的提高持續(xù)下降，土樣C，D，E，F(xiàn)存在固結(jié)系數(shù)在較低應(yīng)力水平下稍有上升，之后持續(xù)下降的現(xiàn)象.本文關(guān)于無(wú)定形硅粉類(lèi)透明土固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平變化規(guī)律與天然土體的試驗(yàn)規(guī)律相似[20].總體看來(lái)，土體的粉黏比越小，固結(jié)系數(shù)越小.土樣A，B的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級(jí)在10-2cm2·s-1，土樣C，D，E，F(xiàn)的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級(jí)在10-1cm2·s-1.

太沙基一維固結(jié)理論中滲透系數(shù)與固結(jié)系數(shù)的關(guān)系公式為Cv=kEs/γw，式中，k為土體滲透系數(shù)，Es為土體的壓縮模量，γw為孔隙液體重度.透明土的壓縮模量與天然土體壓縮模量數(shù)值雖有差異，整體還是比較接近[15].但是透明土體的滲透系數(shù)較天然土體的滲透系數(shù)高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，固結(jié)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果也表明，透明土的固結(jié)系數(shù)數(shù)量級(jí)在10-2～10-1cm2·s-1范圍內(nèi)，較天然土體大1～2個(gè)數(shù)量級(jí).雖然數(shù)值不同，但考慮到透明黏土的固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化規(guī)律與天然土體相似，故采用透明黏土進(jìn)行天然黏土固結(jié)規(guī)律研究是可行的.

圖8 固結(jié)系數(shù)隨荷載變化曲線

3 結(jié) 論

1) 透明黏土的滲透系數(shù)在10-4～10-7cm/s范圍內(nèi)變化，在數(shù)值上比天然黏土大.透明黏土的孔隙比與滲透系數(shù)的半對(duì)數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)明顯的線性，曲線的變化規(guī)律與天然土體相似.同時(shí)，顆粒級(jí)配對(duì)透明土的滲透性有較大影響，粉黏比越大，土體的滲透系數(shù)越大.可以采用透明黏土定性研究天然黏土內(nèi)部滲流規(guī)律.

2) 按照壓縮性指標(biāo)的劃分依據(jù)，各級(jí)配透明土均屬于高壓縮性土.并且土體的粉黏比越大，壓縮模量越小，土體的壓縮性越高.砂粒含量越高，壓縮模量越大，土體壓縮性越低.

3) 透明黏土的固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的提高大致呈逐漸下降的趨勢(shì)，某些級(jí)配下的土樣會(huì)出現(xiàn)在較小應(yīng)力水平下略微上升，之后持續(xù)下降的趨勢(shì).透明黏土的Cv-p曲線的變化規(guī)律與天然土體相似.總體看來(lái)，土樣的粉黏比越小，固結(jié)系數(shù)越小.

4) 顆粒級(jí)配對(duì)透明土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)有較大影響，土體的粉黏比越大，滲透系數(shù)越小，固結(jié)系數(shù)越大.透明黏土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)在數(shù)值上比天然黏土要大，但是，透明黏土的e-lgk和Cv-p曲線的變化規(guī)律與天然土體相似，故可以采用透明黏土定性研究天然黏土內(nèi)部滲流規(guī)律和固結(jié)變化規(guī)律.