土體滲流問題模擬裝置的研發(fā)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

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(shí)驗(yàn)是土力學(xué)課程教學(xué)中必不可少的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[1-2]。通過實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)手操作，學(xué)生可以更深刻地理解和驗(yàn)證土力學(xué)基本概念和原理，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手及解決實(shí)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的軌跡線，在穩(wěn)定流中軌跡上任一點(diǎn)的切線與此點(diǎn)的流動(dòng)方向相重合。等勢線是測管水頭相同的點(diǎn)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(diǎn)可以反映水在滲流場中的運(yùn)動(dòng)方向以及流動(dòng)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(yàn)中進(jìn)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(diǎn)關(guān)注。林偉岸等[11]以土體的主動(dòng)、被動(dòng)破壞為例，闡述了教學(xué)演示儀器的研制與實(shí)踐過程。沈揚(yáng)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(yàn)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。可視化技術(shù)被引入到實(shí)驗(yàn)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(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)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(dòng)。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(dòng)，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?yàn)橛凶銐蚨嗟拇诸w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(shí)驗(yàn)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(shí)際工程破壞現(xiàn)象。同時(shí)，在滲流實(shí)驗(yàn)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(yàn)[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(yàn)結(jié)果的影響。讓學(xué)生在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)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(yàn)裝置實(shí)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(dòng)隔板的雙室有機(jī)玻璃容器和移動(dòng)進(jìn)排水裝置。

(a) 實(shí)物圖

(b) 示意圖

雙室有機(jī)玻璃容器中設(shè)有活動(dòng)隔板，隔板與雙室有機(jī)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(dòng)，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(jī)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(diǎn)。

雙室有機(jī)玻璃容器右側(cè)面上端有一個(gè)進(jìn)水孔，下端有一排水孔，對外連接一個(gè)體變管，隔板右測的容器底部中心位置設(shè)有一個(gè)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(jī)玻璃容器左右兩側(cè)分別設(shè)有兩套移動(dòng)排水裝置，用于調(diào)節(jié)左右兩室的水頭差。該移動(dòng)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(jìn)鋼片盒里。雙室有機(jī)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(jìn)行滲流場流網(wǎng)模擬試驗(yàn)，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(shí)線為流線，與其正交的虛線為等勢線。進(jìn)行流線觀測試驗(yàn)時(shí)，把雙室有機(jī)玻璃容器中間隔板調(diào)到合適的位置，在雙室有機(jī)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(jìn)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(yàn)觀測

觀察土的滲透變形試驗(yàn)時(shí)，對于流土現(xiàn)象：按2.1節(jié)的步驟調(diào)節(jié)有機(jī)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(jī)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(jìn)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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)，需把中間檔板下移到儀器最底部，把移動(dòng)排水孔調(diào)到與進(jìn)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(jìn)水孔和移動(dòng)排水孔。當(dāng)水位到達(dá)排水孔位置并穩(wěn)定時(shí)，打開底部排水孔，用量杯測量一段時(shí)間內(nèi)的滲水量，并用秒表計(jì)時(shí)。

2.4 改變滲流影響因素在模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

重復(fù)2.2的試驗(yàn)步驟，調(diào)節(jié)移動(dòng)排水孔，改變水力坡降，待水位線穩(wěn)定時(shí)，開始計(jì)時(shí)，并測量此段時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)方案具有一定的綜合性，以提高學(xué)生的綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰槟康摹６遥志哂性O(shè)計(jì)、創(chuàng)新性，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、儀器設(shè)備的選擇、實(shí)驗(yàn)條件的確定等方面受到良好的訓(xùn)練。同時(shí)，讓學(xué)生可以更加直觀地觀測一些實(shí)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(shí)例分析

3.1 滲流網(wǎng)中流線及管涌、流土現(xiàn)象觀測試驗(yàn)

圖3為利用研發(fā)的滲流模型試驗(yàn)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(shí)，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(dòng)或被帶出土體，即管涌現(xiàn)象的發(fā)生。1～6 s時(shí)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(yùn)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(shí)發(fā)生突涌、流土破壞，土體破壞，滲流模擬試驗(yàn)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(jìn)行滲流試驗(yàn)，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(diǎn)發(fā)生突涌現(xiàn)象。

通過該滲流模型試驗(yàn)，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(shí)，在滲流實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)工況下的滲透試驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生們的創(chuàng)新思維，讓土力學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)裝置量測摻有少許黏粒砂土的滲透系數(shù)。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)步驟進(jìn)行滲透系數(shù)測定試驗(yàn)。

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。可以看出，在同一摻砂率下，隨著孔隙比的增大，滲透系數(shù)也會(huì)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(shí)，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(jìn)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。可以得出，用滲流模型試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置。該模型裝置可以進(jìn)行滲流場流網(wǎng)模擬試驗(yàn)；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(yàn)工況下的滲流試驗(yàn)，分析相關(guān)參數(shù)對試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)更有趣味性，寓教于樂，讓學(xué)生有樂趣去吸取知識(shí)。

該滲流模型試驗(yàn)是對“土力學(xué)”教學(xué)的有益補(bǔ)充，目前，該試驗(yàn)裝置已在上海大學(xué)“土力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了成功應(yīng)用，依托于該裝置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變了以往單一的、以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主的傳統(tǒng)巖土實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建了綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的“三性”巖土實(shí)驗(yàn)教學(xué)新途徑。

[1] 趙成剛, 韋昌富, 蔡國慶. 土力學(xué)理論的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(12): 3521-3540.

[2] 李廣信,呂 禾,張建紅. 土力學(xué)課程中的實(shí)踐教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2006, 23(12): 13-14.

[3] 高凌霞, 欒茂田, 楊 慶,等. 非飽和重塑黏土滲透性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(8): 2267-2270.

[4] 謝康和, 齊 添, 胡安峰,等. 基于GDS的黏土非線性滲透特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(2):420-424.

[5] 楊代泉, 沈珠江. 非飽和土孔隙氣、水、汽、熱耦合運(yùn)動(dòng)之模擬[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2000, 22(3): 357-361.

[6] 趙成剛，白 冰，王運(yùn)霞. 土力學(xué)原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社；北京交通大學(xué)出版社, 2004.

[7] 張孟喜. 土力學(xué)原理(普通高等院校土木專業(yè)十一五規(guī)劃精品教材)[M]. 2版.武漢:華中科大出版社, 2010.

[8] 郭培璽, 陳仲波. 滲流穩(wěn)定性中地下水作用力計(jì)算問題探討[J]. 建筑科學(xué), 2012(s1): 68-70.

[9] 肖先煊, 許 模, 蔡國軍,等. 基于潛水滲流模型的地下水實(shí)際流速[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(4): 11-14.

[10] 戴巖柯, 崔世新, 張 坤. 水均衡法和數(shù)值模擬法在礦坑深部涌水量預(yù)測中的比較——以西石門鐵礦為例[J]. 地下水, 2010, 32(1): 24-26.

[11] 林偉岸, 詹良通, 陳云敏,等. 土力學(xué)與基礎(chǔ)工程教學(xué)演示儀器的研制和應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2011,14(4): 170-173.

[12] 沈 揚(yáng),葛冬冬,陶明安,等. 土力學(xué)原理可視化演示模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2014, 36(5): 663-666.

[13] 李光范, 韓建剛, 徐耘野,等. 太沙基一維固結(jié)理論的可視化研究[J]. 廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 24(4): 24-27.

[14] 李廣信. 高等土力學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[15] 黃德文, 陳建生, 陳 亮,等. 均質(zhì)無黏性土流土發(fā)生機(jī)制室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 34(s1): 3424-3431.

[16] 周 健, 張 剛. 管涌現(xiàn)象研究的進(jìn)展與展望[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2004, 24(4): 536-542.

[17] 葉為民, 酒 淼, 齊子元,等. 新型多功能滲透儀與達(dá)西定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010, 29(7): 120-122.

[18] 李傳勛, 徐 超, 謝康和. 基于起始水力坡降的軟土一維大變形固結(jié)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015(s1): 3525-3533.

[19] 程勤波, 陳 喜, 凌敏華,等. 變水頭入滲試驗(yàn)推求垂向滲透系數(shù)的計(jì)算方法[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2010, 21(1): 50-55.