魏 永 程馬遙 陳林生 郭家儀

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引言

潛蝕是指土體在水流的作用下，細小顆粒在骨架顆粒形成的通道中移動，較大顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。由于土體的不透明性，難以從土體內(nèi)部觀測發(fā)生潛蝕破壞前顆粒的運移情況。基于透明土材料的可視化試驗技術(shù)是在尋求實現(xiàn)土體內(nèi)部變形、滲流等研究的可視化過程中產(chǎn)生的，它的起源及發(fā)展得益于現(xiàn)代光學(xué)觀測技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展［1］。透明土的出現(xiàn)，使非介入式土體連續(xù)變形測量成為可能，如Liu［2］開發(fā)了一套與透明土相適應(yīng)的變形測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光散斑技術(shù)實現(xiàn)透明土試驗的觀測；Stanier［3］采用透明土進行十字板剪切模型試驗，研究了剪切板豎向插入及旋轉(zhuǎn)時透明土的變形特征。在深基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)和土體相互作用方面，Song 等［4］將透明土應(yīng)用于離心模型試驗中，對錨板在嵌入黏土過程中的錨固力損失進行了分析。后來很多學(xué)者嘗試進行小尺寸的透明砂土模型試驗；Sun 等［5］采用透明砂土進行了隧道開挖過程模擬研究；曹兆虎等［6］采用透明砂土進行了沉樁貫入試驗；齊昌廣等［7］基于透明砂土模型試驗研究了塑料套管混凝土樁的擠土效應(yīng)。在透明土材料的選擇上，孔綱強等［8］基于三軸試驗進行強度特性對比，研究玻璃砂透明土對天然砂土的可替代性。高岳［9］在干燥狀態(tài)下通過直剪試驗對比了熔融石英砂與天然標準砂的剪切位移與應(yīng)力關(guān)系，認為兩者變化接近。在基質(zhì)吸力方面，相關(guān)研究較少，雷勝友［10］推導(dǎo)了毛細水作用下潮濕砂土的抗剪強度表達式，詳細討論了含水量對大小主應(yīng)力的影響；張平等［11］通過研究非飽和砂土基質(zhì)吸力，認為基質(zhì)吸力隨著含水量的增加而增大，且存在一個臨界含水量。

筆者在已有的研究基礎(chǔ)上，制備了不同級配的透明土和天然砂土，在4 種不同含液量下，對其強度特性進行對比分析，進一步驗證熔融石英砂對砂土的可替代性。

1 透明土的配置

透明土是由可替代天然土的顆粒和可替代水的孔隙溶液組成。當顆粒與孔隙溶液的折射率一致時，其配置出來的土是透明的。一般情況下溶液的折射率受溫度影響較大。因此，需注意溫度變化對透明土的影響。

1.1 孔隙液體的選取

試驗選取的透明土基料為熔融石英砂，與相同折射率孔隙溶液混合后成為透明土?？紫兑后w選擇多樣，包括：溴化鈣溶液、葡萄糖溶液、15#白油與正十二烷混合溶液等。3 種溶液對比分析如表1所示。

表1 孔隙溶液對比

通過對比，基于實驗室條件，選取15#白油和正十二烷混合溶液作為透明土的孔隙液體。

1.2 混合溶液配合比試驗

已有文獻表明熔融石英砂的折射率為1.458 5［12］。要想獲得良好的透明度，混合溶液的折射率應(yīng)與熔融石英砂的折射率誤差控制在±0.001。試驗設(shè)置具體步驟如下。

步驟1：使用折射儀測取15#白油與正十二烷的折射率。

步驟2：準備3 個膠頭滴管。將燒杯置于精確度可達0.01 g 的電子天平上，去皮，使用膠頭滴管吸取正十二烷并滴于燒杯中，當稱取0.1 g 后停止滴落。

步驟3：將電子天平去皮清零，使用新的膠頭滴管吸取15#白油并滴于燒杯中，直至稱取1.0 g后停止。

步驟4：用玻璃棒將兩種混合的液體進行充分攪拌后，用玻璃棒取一滴混合液體置于折射儀被測區(qū)域，讀取數(shù)值。

步驟5：由于測得15#白油折射率為1.461 0，正十二烷為1.420 5，根據(jù)文獻記載，熔融石英砂折射率為1.458 5。若混合液體折射率小于1.458 5，則依次增加15#白油劑量，每次增加0.1 g，每次測量對應(yīng)混合液體的折射率，正十二烷劑量保持不變。若混合液體折射率大于1.458 5，則對應(yīng)依次減少15#白油劑量，每次減少0.1 g，測出對應(yīng)的折射率，正十二烷劑量保持不變。

步驟6：當成功配出1.458 5 的混合折射率之后，記下對應(yīng)的質(zhì)量比。然后配置一定量的混合液體于亞克力板中，將不同級配的熔融石英砂緩慢倒入混合液體里面并充分攪拌以消除氣泡。靜置1 h，將寫滿字的紙置于亞克力板背面，若能清晰地看到字，則說明透明度良好，否則進行微調(diào)。不同配比下混合油折射率的變化如圖1所示。

圖1 折射率隨混合油比例變化示意圖

由圖1可知，在15#白油與正十二烷在20∶1時，其折射率在1.458 5，與熔融石英砂的折射率一致，取此比例為最優(yōu)配比。

2 直剪試驗

2.1 儀器設(shè)備

①采用ZJ-4 應(yīng)變控制式直剪儀（4 聯(lián)無級調(diào)速，手動&電動）。

②環(huán)刀：內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm。

③百分表：量程10 mm，最小分度0.01 mm。

④其他：切土刀、濾紙、毛玻璃板、凡士林等。

2.2 試驗概況

采用直剪試驗，設(shè)置了8 組不同顆粒級配的土，在4鐘含液量下：0%、15%、20%、25%，對比熔融石英砂透明土與普通砂土巖土工程性質(zhì)。顆粒級配占比如表2所示。

表2 顆粒粒徑占比表

2.3 試驗操作步驟

步驟1：將普通土與透明土烘干后按照0.2～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm進行篩分。

步驟2：通過稱取環(huán)刀裝滿土后重量為101.23 g。因此，本試驗以200 g 為基準，按照表2 中配比①的各粒徑土比例配置天然砂土，即0.2～0.5 mm：10 g；0.5～1 mm：30 g；1～2 mm：0 g；2～5 mm：160 g，此為一組。以上配備相同的四組置于4 個容器中。完成之后，分別稱取0 g、30 g、40 g、50 g的水倒入四組容器中，充分攪拌均勻。

步驟3：檢查下盒底兩滑槽內(nèi)鋼珠是否分布均勻，在上下盒接觸面及上下盒內(nèi)部圓環(huán)涂抹少許凡士林，對準剪切盒的上下盒，插入固定銷釘，在下盒內(nèi)依次放一塊潔凈透水石及一張濾紙。

步驟4：將盛有試樣的環(huán)刀平口朝下，刀口朝上，在試樣面放一張濾紙及一塊透水石，對準剪切盒的上盒，然后將試樣通過透水石徐徐壓入剪切盒底，移去環(huán)刀，并依次加上傳壓板、鋼珠及加壓框架。

步驟5：在量力環(huán)中安裝百分表，然后按順時針方向徐徐轉(zhuǎn)動手輪，使上下盒兩端的鋼珠恰好與量力環(huán)接觸（量力環(huán)中百分表指針被觸動）。

步驟6：順次加上傳壓板、鋼珠，加壓框架，按照正應(yīng)力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 放置對應(yīng)的砝碼數(shù)量，如表3所示。

表3 正應(yīng)力與砝碼個數(shù)對應(yīng)表

步驟7：施加垂直壓力（正應(yīng)力）后應(yīng)立即拔去固定銷釘。以8 s/r的均勻速率轉(zhuǎn)動手輪，使試樣在3～5 min 內(nèi)剪損。當測力計中的量表指針不再前進，或有顯著后退，表示試樣已經(jīng)剪切破壞。當百分表指針不后退時，以剪切位移4 mm 對應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強度，這時剪切至剪切位移達6 mm 時停止剪切。

步驟8：卸除壓力，取下加力框架、鋼珠、加壓蓋等，倒出試樣，刷凈剪切盒。

步驟9：透明土地配置與試驗按照步驟2～9進行。

步驟10：以上一種級配的普通土與透明土完成試驗后，依次對其余②～⑩級配按照步驟2～9進行。

剪切強度計算公式如式（1）。

式中：R為量力環(huán)中百分表最大讀數(shù)，或剪切位移為4 mm 時的讀數(shù)，精確至0.01 mm；C為量力環(huán)校正系數(shù)，kPa/0.01mm，從儀器上抄寫，本試驗中取1.89。

剪切位移計算公式如式（2）。

式中：0.2為手輪每轉(zhuǎn)一圈，剪切盒位移0.2 mm；n為手輪轉(zhuǎn)數(shù)。

剪應(yīng)力由式（1）計算得出。記錄不同時刻量力環(huán)中的讀數(shù)R，通過式（1）計算得出不同時刻的剪應(yīng)力變化。

2.4 應(yīng)力與剪切位移

土的抗剪強度受含液量和顆粒級配的影響。顆粒級配連續(xù)的土，其內(nèi)部顆粒與顆粒之間所形成的孔道被更小的顆粒填充，形成的土體密實，抗剪強度高。而土體中含有一定的水分時，會在原來抗剪強度的基礎(chǔ)上，增加了水與空氣表面的張力，即基質(zhì)吸力，砂土之間的基質(zhì)吸力稱為假黏聚力，這種假黏聚力提高了砂土的抗剪強度。以下分別從含液量和級配來討論土的應(yīng)力。

2.4.1 含液量的影響。不同含液量下，熔融石英砂與天然砂土有相似的變化規(guī)律，以配比①四種含液量的變化為例。0%、15%、20%、25%含液量下兩種土的應(yīng)力與剪切位移變化如圖2 至圖5 所示。

圖2 0%含液量下剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖3 15%含液量下剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖4 20%含液量下剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖5 25%含液量下剪應(yīng)力與剪切位移變化

通過對比，天然砂土和透明土在每組含液量下的變化趨勢相同。在0%、15%、20%含液量下，每個正應(yīng)力所對應(yīng)的剪應(yīng)力均隨含液量的增加而提高。但當含液量達到25%時，兩者的剪應(yīng)力均有所減少，說明含水使顆粒與顆粒之間增加了吸濕力，即基質(zhì)吸力，這種基質(zhì)吸力可以增強土的抗剪強度。但是，當含液量增大到一定量時，這種基質(zhì)吸力有所減少，這是因為過多的水分會減少顆粒與顆粒之間的摩擦，而砂土的抗剪強度主要是由內(nèi)摩擦角來提供的。在本試驗中，基質(zhì)吸力的臨界含液量在20%～25%之間。

2.4.2 顆粒級配的影響。以15%的含液量為例，討論顆粒級配與剪應(yīng)力的關(guān)系，具體如下。配比①～④含粉砂土和透明土在15%含液量下剪應(yīng)力與剪切位移的變化如圖6 至圖9 所示。配比①～④細顆粒含量逐漸增高，分別為20%、25%、30%、35%。以正應(yīng)力為400 kPa 為例，天然砂土和透明土剪切位移在達到2.5 mm 時剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且當剪切位移固定在2.5 mm 時，其剪應(yīng)力隨著細顆粒含量的增加而增大，配比④的剪應(yīng)力比配比①增加了15.7%。究其原因，隨著細顆粒含量增多，使得粗顆粒與粗顆粒之間所形成的孔隙被更好地填充，加大了顆粒間的摩擦力，增加了土體的密實性，使得土體抗剪強度增大。

圖6 15%含液量下配比①剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖7 15%含液量下配比②剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖8 15%含液量下配比③剪應(yīng)力與剪切位移變化

圖9 15%含液量下配比④剪應(yīng)力與剪切位移變化

3 結(jié)論

針對不同配比，在4 種含液量下對比熔融石英砂透明土與天然砂土的巖土力學(xué)性質(zhì)，主要得到以下結(jié)論。

對于級配①～⑤：在同一含液量下，隨著細顆粒的增加，兩者抗剪強度均增強。在15%含水量下，配比④比①抗剪強度增加了15.7%；在相同配比下，兩者的抗剪強度均隨含液量（0%、15%、20%）的增加而增加。而在25%的含液量下，兩者抗剪強度均有所降低，說明熔融石英砂透明土與天然砂土都存在基質(zhì)吸力，其臨界含液量為20%～25%；在相同級配下，熔融石英砂透明土與天然砂土的抗剪強度變化規(guī)律接近，可用熔融石英砂透明土替代天然砂土進行模擬。相比于天然砂土，利用熔融石英砂透明土進行潛蝕試驗可以從土體內(nèi)部觀測顆粒運移情況，從根本上認識潛蝕發(fā)生發(fā)展機理，解決傳統(tǒng)方法無法觀測土體內(nèi)部的缺陷。