孔綱強，張?zhí)炻敚軛?，孫學(xué)謹(jǐn)，楊慶

(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. 悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000；3. 大連理工大學(xué) 海岸與海洋工程國家重點試驗室，遼寧 大連 116024)

透明固體顆粒與折射率相匹配的孔隙液體混合，可制配成飽和透明土用于模擬天然飽和土[1]，以開展土體內(nèi)部位移場和滲流場等物理模型試驗的可視化研究。在模擬天然砂土的透明土制配方面，2010年，ISKANDER等[1-2]首次將熔融石英砂確定為潛在的制配透明土的固體顆粒材料之一；SUITS等[3-6]針對熔融石英砂和2種礦物油的混合物(折射率為1.458 5)制配的透明土材料，開展了物理力學(xué)性質(zhì)測試，并與天然砂土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對比分析，初步驗證了其模擬天然飽和砂土的可行性。圍繞由熔融石英砂和孔隙液體制配成的飽和透明砂土，孔綱強等[4,6-7]系統(tǒng)探討了其強度特性、變形特性以及動力特性，初步揭示了孔隙液體對飽和透明砂土的力學(xué)特性及滲透特性的影響規(guī)律[8-9]，并分析了相關(guān)力學(xué)特性與天然砂土之間的異同點，進(jìn)一步完善了該透明土材料的力學(xué)參數(shù)。溫度引起的土體強度和變形問題是現(xiàn)階段巖土工程領(lǐng)域的熱點課題之一[10]。既有研究結(jié)果表明，飽和透明砂土的透明度依賴于孔隙液體與熔融石英砂固體顆粒的折射率的匹配程度；而孔隙液體的折射率對溫度的敏感程度很高，溫度變化會影響孔隙液體折射率，從而降低飽和透明砂土的透明度[5]?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)，通過觀察溫度變化引起的透明土材料的透明度變化，分析其相應(yīng)灰度值、圖像像素強度的變化與溫度變化的關(guān)系，BLACK等[11-12]分別分析了透明土材料中熱傳遞與交換過程，能量樁樁周溫度場的變化規(guī)律；由此也證明了基于透明土材料和數(shù)字圖像處理技術(shù)研究土體內(nèi)部溫度場的可行性。相關(guān)研究結(jié)果表明，溫度改變會影響天然砂土的強度和變形特性[13-14]。溫度影響下飽和透明砂土的力學(xué)性質(zhì)變化，對基于透明土試驗技術(shù)研究土體內(nèi)部溫度場的研究具有重要的意義。為此，本文基于溫控三軸儀，針對熔融石英砂和有機溶液(混合油)制配而成的飽和透明砂土試樣，開展一系列溫控三軸固結(jié)排水(CD)試驗，研究不同溫度下透明砂土的強度與變形特性，為依托透明砂土模擬天然砂土內(nèi)部溫度場的可視化模型試驗方法與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗概況

1.1 透明土材料級配及特性

飽和透明砂土，由熔融石英砂和與之折射率一致的孔隙液體制配而成。試驗選用的熔融石英砂由徐州新沂萬和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)，其實物圖如圖1所示，顆分曲線如圖2所示，粒徑分布級配參數(shù)見表1所示；粒徑范圍為0.1～1.0 mm，D60和D10的值分別為0.35和0.11。

表1 透明砂土粒徑分布級配參數(shù)Table 1 Distribution of particle size gradation parameters of transparent sand

孔隙液體由5號白油和正12烷按質(zhì)量比4:1混合制配而成，其折射率與熔融石英砂一致，均為1.458 5。飽和透明砂土的物理力學(xué)性質(zhì)可參考文獻(xiàn)[3-4]。

透明砂土的具體制備過程如下：熔融石英砂洗凈烘干，去除雜質(zhì)和水分；在常溫條件下配制孔隙液體，由阿貝折射儀測定液體折射率，使其折射率達(dá)到1.458 5。先在模型槽里倒入配制好的孔隙液體，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。將試樣置于真空箱中，利用真空泵抽真空，以去除試樣中的氣泡，抽真空后靜置至氣泡完全消失為止。

1.2 溫控三軸試驗制樣及試驗工況設(shè)計

綜合考慮儀器的溫度量程范圍和現(xiàn)實工況，本文針對2種不同溫度(25 ℃和50 ℃)下的透明砂土試樣，進(jìn)行4種不同圍壓(50，100，200和400 kPa)下的溫控三軸試驗。其中25 ℃對應(yīng)常溫下的土體，50 ℃對應(yīng)高溫條件下的土體。試驗采用的應(yīng)變控制溫控三軸試驗裝置的實物圖和示意圖分別如圖3(a)和3(b)所示。溫控系統(tǒng)包括加熱器、混合器和溫度傳感器，溫度傳感器安裝在壓力單元室內(nèi)并連接到溫度控制單元。試驗根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[16]制備試樣并飽和。制樣時分層裝樣，并分層壓實，確保密實度。試樣直徑為39.1 mm，長徑比為2:1，制樣目標(biāo)相對密實度為60%(SUN等[17]研究表明，當(dāng)相對密實度在60%左右時，配制得到的透明土透明度最優(yōu))。制樣時采用雙層乳膠膜，以避免有角顆粒刺穿膜，并最大限度地減少孔隙液體對乳膠膜的降解[3]?？紤]實際工程情況，本文采用固結(jié)排水(CD)試驗?？紫兑后w黏度大導(dǎo)致透明土制配過程中易產(chǎn)生氣泡、難以完全飽和，采取反壓飽和，使得試樣實現(xiàn)飽和。

透明砂土試樣溫控及加載路徑如圖4所示(其中：p為平均有效應(yīng)力；q為剪應(yīng)力；T為溫度)。剪切(偏)應(yīng)力q和有效平均應(yīng)力p可由公式q=σ1-σ3，p=(σ1+2σ3)/3求得，σ1和σ3分別為軸向應(yīng)力和圍壓應(yīng)力。試驗步驟如下：

1) 各向同性固結(jié)(路徑0→1)。

2) 排水升溫(路徑1→2)。

3) 排水剪切(試驗的路徑1→3或環(huán)境溫度50 ℃下的路徑2→3′)，通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)三軸剪切路徑或通過應(yīng)用一個恒定的p路徑。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱致體變規(guī)律分析

在固結(jié)至設(shè)定圍壓(點1)后，在排水條件下升高試樣的溫度(路徑1→2，從25 ℃至50 ℃)(圖4)。排水加熱過程中土體的體積應(yīng)變可以由飽和試樣中排出的水的體積計算得到。假定收縮體積變化為正、膨脹為負(fù)。透明砂土試樣的熱致體積應(yīng)變規(guī)律曲線如圖5所示；由圖5可見，加熱會使透明砂土試樣產(chǎn)生膨脹；本文試驗條件下，透明砂土的熱致體積應(yīng)變隨著圍壓的增大而變化相對更大。透明砂土的熱體積變化如圖5所示；LIU等[18]標(biāo)準(zhǔn)砂試樣相應(yīng)的熱體積變化(相對密度為90%，50，100和200 kPa圍壓，25，35，45和55 ℃溫度條件下)也顯示在圖5中。由圖5可知，二者在溫度升高的過程中都呈現(xiàn)出體積膨脹趨勢；在同等圍壓條件下，升溫引起的透明砂土體積應(yīng)變大于標(biāo)準(zhǔn)砂。這可能是由如下2方面原因造成的：1) 相對密實度對體積變形存在一定影響；2) 孔隙液體的熱膨脹性質(zhì)和砂土存在一定的差異。另外值得注意的一點，標(biāo)準(zhǔn)砂的熱體積應(yīng)變隨圍壓的增大并無明顯變化規(guī)律，表明圍壓對于標(biāo)準(zhǔn)砂熱體積變化影響相對較小，透明砂土熱體積應(yīng)變受圍壓的影響相對明顯，圍壓越大其熱體積應(yīng)變越明顯。綜上所述，溫度效應(yīng)對透明砂土體積應(yīng)變的影響不同于標(biāo)準(zhǔn)砂，溫度升高引起的透明砂土熱體積應(yīng)變大于標(biāo)準(zhǔn)砂，且透明砂土熱體積應(yīng)變對圍壓的敏感度也大于標(biāo)準(zhǔn)砂。這一區(qū)別特性在利用透明砂土模擬天然砂土的實際工程中應(yīng)當(dāng)引起重視。

2.2 溫度對抗剪強度的影響規(guī)律分析

在不同圍壓σ3下加熱至不同溫度后透明砂土試樣的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖6和圖7所示。50，100，200和400 kPa圍壓、25 ℃和50 ℃溫度條件下透明砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖6(a)～6(d)，圖7(a)～7(b)所示。由圖6可見，在高溫下測試的試樣顯示出更高的剪切強度。還研究了在大應(yīng)變下不同溫度的剪切特性，在?q/?εs=?εv/?εs=0的情況下，高溫下獲得的剪切應(yīng)力往往與環(huán)境溫度下測試的試樣處于不同的臨界狀態(tài)(εs是偏應(yīng)力或剪切應(yīng)變，εs=2(ε1-ε3)/3)。這與在不同溫度下剪切的試樣的體積變化趨勢一致。由圖7可知，給定溫度下土的抗剪強度隨著圍壓的增加而增加，增加圍壓會導(dǎo)致屈服前出現(xiàn)更強的響應(yīng)，并增加最大偏應(yīng)力。不同圍壓、不同溫度條件下透明砂土剪切過程中的熱體積應(yīng)變曲線分別如圖6(a)～6(d)，圖7(a)～7(b)所示。由圖6可知，相較于常溫條件，高溫條件使試樣呈現(xiàn)膨脹性的體積變化趨勢，在高圍壓下膨脹更為明顯。由圖7可知，透明砂土試樣在低圍壓下表現(xiàn)出高度的膨脹響應(yīng)，土的剪脹性隨著圍壓的減小而增大。

在25 ℃和50 ℃下進(jìn)行的三軸剪切試驗獲得的割線模量如圖8所示。軸向應(yīng)變ε1為0.5%時的初始割線模量由不同圍壓和溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算得到。由圖8可知，圍壓增加初始割線模量增大，且所有試樣的初始割線模量都隨著溫度的升高而增加。高溫下透明砂的強度增長和彈性模量可能受到孔隙液體的影響。孔隙液體(混合油)不同于水。標(biāo)準(zhǔn)砂試樣[10]的割線模量結(jié)果也顯示在圖8中。由圖8可知，二者初始割線模量受圍壓影響的變化趨勢基本相同，但是相較于透明砂土，不同溫度條件下標(biāo)準(zhǔn)砂的割線模量并無明顯變化規(guī)律，且二者割線模量值存在一定的差別，這可能是由于標(biāo)準(zhǔn)砂為密實砂樣，也可能是孔隙液體不同于砂土的熱性質(zhì)所導(dǎo)致的。

溫度對孔隙液體黏度的影響如圖9所示；由圖9可知，透明砂土試樣中孔隙液體(由5白油和正12烷混合)的黏度隨著溫度的升高而降低。

2.3 溫度對臨界狀態(tài)的影響

透明土試樣、既有文獻(xiàn)獲得的p-q臨界狀態(tài)線以及Ottawa砂[15]的p-q破壞包絡(luò)線均如圖10所示。由圖10可知，各種試驗條件(25 ℃和50 ℃)下的CSL線(Critical state line即臨界狀態(tài)線)相似，50 ℃溫度條件下p-q線的斜率略高于25 ℃溫度條件下的試樣；從臨界狀態(tài)來看，透明砂土的平均內(nèi)摩擦角略大于ASTM-Ottawa砂；25 ℃和50 ℃溫度條件下，透明砂土材料的臨界狀態(tài)M值[19](即p-q線的斜率)分別為1.08和1.10，在天然砂的UH模型中，應(yīng)力比的臨界狀態(tài)M值是主要輸入?yún)?shù)之一，M增大，說明土體能夠承受更高的剪切峰值應(yīng)力比。這種差異也可能是由于孔隙液體的黏度變化造成的。

3 結(jié)論

1) 飽和透明砂土試樣隨著溫度升高而產(chǎn)生一定的膨脹，且熱致體積應(yīng)變與圍壓相關(guān)。

2) 飽和透明砂土試樣的抗剪強度和模量隨著溫度升高而有所增加，這可能是受到孔隙液體黏度降低的影響。

3) 透明砂土的峰值角比ASTM-Ottawa砂的峰值角略大；25 ℃和50 ℃溫度條件下，透明砂土的臨界狀態(tài)M值分別為1.08和1.10。