透明土強(qiáng)度特性及模擬黏性土的可行性試驗(yàn)

宮全美， 周俊宏， 周順華， 季　昌

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

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透明土強(qiáng)度特性及模擬黏性土的可行性試驗(yàn)

宮全美， 周俊宏， 周順華， 季昌

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

摘要：采用體積比為2.5∶1的15號(hào)白礦油和正十二烷混合液與無(wú)定形硅石粉末配制成透明土以模擬黏性土.進(jìn)行了120個(gè)不同應(yīng)力狀態(tài)透明土樣的直剪固快強(qiáng)度試驗(yàn)及常規(guī)固結(jié)壓縮試驗(yàn)，給出了透明土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度值，并與典型黏性土進(jìn)行了對(duì)比分析，得知兩者在強(qiáng)度及壓縮特性上具有高度相似性；通過(guò)等沉降速率的室內(nèi)壓板載荷試驗(yàn)，得到了荷載-沉降曲線(xiàn)、土體極限承載力、土體速度場(chǎng)、土體位移場(chǎng)，與既有研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了透明土模擬黏性土應(yīng)用于模型試驗(yàn)的可行性.

關(guān)鍵詞：透明土； 黏性土； 激光源； P-S/b曲線(xiàn)； 直剪試驗(yàn)

一般巖土工程的模型試驗(yàn)只能觀(guān)測(cè)到土體表面的位移場(chǎng)，而土體表面常因邊界效應(yīng)不能完全反映真實(shí)情況；還有一些試驗(yàn)需要觀(guān)測(cè)土體內(nèi)部的位移場(chǎng)變化及漸進(jìn)性的破壞過(guò)程，如注漿過(guò)程漿液的走向及土體的破壞發(fā)展規(guī)律等，傳統(tǒng)方法是在土體內(nèi)部埋設(shè)傳感器，但該方法一方面影響土的連續(xù)性，另一方面因傳感器靜動(dòng)力特性與土體相差較大而影響測(cè)試結(jié)果，對(duì)于小比例模型試驗(yàn)該問(wèn)題更為突出.

為了實(shí)現(xiàn)非接觸式觀(guān)測(cè)土體內(nèi)部連續(xù)位移場(chǎng)，Sadek等[1]首先采用無(wú)定形硅石凝膠和具有相同折射率的孔隙液體配制成可模擬砂土的透明土，并對(duì)其物理力學(xué)特性進(jìn)行研究；Iskander等[2]、Liu等[3]采用白礦油與正十二烷質(zhì)量比1:1的混合液與無(wú)定形硅石粉末配制成透明土，并進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)，認(rèn)為該土樣在宏觀(guān)力學(xué)指標(biāo)上可用于模擬黏性土，但研究只針對(duì)部分前期固結(jié)壓力較大土樣，而透明土的透明度存在隨固結(jié)壓力增大而減弱現(xiàn)象，在模型試驗(yàn)中為保證透明度，土樣固結(jié)壓力往往較小，其試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足不同試驗(yàn)中土樣強(qiáng)度取值要求，需進(jìn)一步對(duì)不同固結(jié)壓力下的強(qiáng)度特性進(jìn)行分析；Ni等[4]結(jié)合粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)(可實(shí)現(xiàn)非接觸、瞬時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)地測(cè)定速度場(chǎng))將上述透明土應(yīng)用于等截面圓形樁沉樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)，得到了觀(guān)測(cè)沉樁過(guò)程土體內(nèi)部連續(xù)位移場(chǎng)的方法.目前，國(guó)內(nèi)僅部分學(xué)者對(duì)透明砂土進(jìn)行了研究，對(duì)于透明土模擬黏性土應(yīng)用于模型試驗(yàn)的可行性等問(wèn)題有待開(kāi)展.吳明喜[5]選用熔融石英砂和溴化鈣溶液配制成透明砂土，并采用三軸試驗(yàn)對(duì)該透明砂土力學(xué)特性進(jìn)行研究；張儀萍等[6]為了選擇與熔融石英砂相匹配的孔隙流體，對(duì)CaCl2·2(H2O)溶液、CaBr2溶液、白礦油的折射率、平均色散、黏度等性質(zhì)進(jìn)行研究，得出溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)是控制折射率的關(guān)鍵因素，在土樣配制時(shí)須加以控制；孔綱強(qiáng)等[7]、曹兆虎等[8-10]采用玻璃砂和正十二烷及白礦油的混合物配制成模擬砂土的透明土樣，并采用該透明砂土進(jìn)行了管樁、X型樁的沉樁模型試驗(yàn).

鑒于此，本文采用無(wú)定形硅石粉末、15號(hào)白礦油、正十二烷為原料配制成透明土以模擬黏性土，詳述土樣配置方法，并對(duì)該透明土樣進(jìn)行強(qiáng)度特性、壓縮特性試驗(yàn)，與天然黏性土對(duì)比，說(shuō)明兩者相似程度，同時(shí)進(jìn)行等沉降速率的室內(nèi)壓板載荷試驗(yàn).

1透明土配比確定及制備方法

1.1透明土配比確定方法

以粒徑2 000目(6.5 μm)的無(wú)定形硅石粉末模擬固體顆粒，15號(hào)白礦油、正十二烷的混合液模擬孔隙液體，將三者按一定比例混合后制備成透明土.土樣透明度的高低取決于固相與液相材料折射率的匹配性，而白礦油與正十二烷單一材料的折射率均與無(wú)定形硅石粉末不同[5].因此，為達(dá)到土樣透明的目的，關(guān)鍵需確定白礦油與正十二烷的配比，以保證混合液與無(wú)定形硅石粉末的折射率相匹配.

液體材料的折射率可通過(guò)阿貝折射儀測(cè)定，而對(duì)于無(wú)定形硅石粉末這種多孔粉末的折射率卻無(wú)直接的測(cè)定方法[5].因此，試驗(yàn)中采用試配法，即在固定的溫度條件下(20 ℃)配制不同白礦油與正十二烷體積比的混合液并與無(wú)定形硅石粉末混合制備成透明土，通過(guò)對(duì)比不同配比土樣的透明度確定液相材料的配比.

目前，暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化的透明度確定方法，試驗(yàn)時(shí)多采用目測(cè)法，但該方法準(zhǔn)確性不足.采用透明土進(jìn)行模型試驗(yàn)的主要目的為：消除邊界效應(yīng)，并借助PIV等觀(guān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)土體內(nèi)部非接觸式的連續(xù)位移場(chǎng)觀(guān)測(cè).圖1為采用透明土結(jié)合PIV觀(guān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行模型試驗(yàn)的示意圖，圖中d1為面激光入射面至模型箱邊界的距離，面激光照亮的面即為觀(guān)測(cè)面，試驗(yàn)時(shí)需保證在該面上的示蹤粒子清晰可見(jiàn)，d1越小邊界效應(yīng)越明顯；d2為激光入射深度，d2的大小直接決定了模型試驗(yàn)的尺寸.

基于以上特點(diǎn)，給出了定量化描述土樣透明度的雙參數(shù)評(píng)估指標(biāo).

(1)透視性(反映d1)：采用15號(hào)白礦油與正十二烷體積比不同的混合液與無(wú)定形硅石粉末制備成透明土，并將其置于長(zhǎng)、寬、高、厚分別為200，50，50，2 mm的有機(jī)玻璃模型盒中，透明土配置過(guò)程中須保證除混合液配比外其他條件均相同，不同透明土樣中的無(wú)定形硅石粉末與混合液質(zhì)量比也須保持一致(本文試驗(yàn)時(shí)取1∶5).試驗(yàn)中在模型盒背面放置標(biāo)有不同數(shù)字大小的網(wǎng)格紙，以透過(guò)50 mm土樣時(shí)所能識(shí)別的最小數(shù)字大小來(lái)表征透視性，如圖2所示.

圖1　透明土模型試驗(yàn)示意圖

圖2　透視性

(2)激光入射深度(反映d2)：通過(guò)在透明土中混入相同示蹤粒子(本次試驗(yàn)中采用粒徑30 μm的珠光粉)，在2.5 W強(qiáng)度面激光源的照射下，采用CCD(charge coupled device)相機(jī)采集圖像，以所能觀(guān)測(cè)到示蹤粒子的最大深度作為激光入射深度，如圖3.

圖3　激光入射深度

通過(guò)上述方法最終確定混合液配比為15號(hào)白礦油與正十二烷體積比為2.5∶1，透明土在未加壓固結(jié)情況下所能識(shí)別的最小數(shù)字大小為5磅，激光入射深度為170 mm.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)定形硅石粉末與混合液的質(zhì)量比會(huì)影響真空除氣時(shí)間及加壓固結(jié)的可操作性：質(zhì)量比過(guò)大，導(dǎo)致真空除氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而加長(zhǎng)土樣制備時(shí)間；質(zhì)量比過(guò)小，會(huì)因土樣過(guò)軟導(dǎo)致加壓固結(jié)過(guò)程中易出現(xiàn)加載板偏壓、土體擠出等現(xiàn)象.綜上，通過(guò)試配知當(dāng)質(zhì)量比為1∶5時(shí)土樣在真空環(huán)境中3～4 h即可達(dá)到透明的效果，真空除氣時(shí)間較短，且軟硬適中，加壓固結(jié)過(guò)程也較易操控，因此建議在透明土制備過(guò)程中無(wú)定形硅石粉末與混合液質(zhì)量比取1∶5.

1.2透明土制備關(guān)鍵步驟

透明土制備過(guò)程主要包含以下3步：材料混合、真空除氣、加壓固結(jié)，各步驟操作過(guò)程如圖4.

南水北調(diào)受水區(qū)是全國(guó)地下水超采最嚴(yán)重的地區(qū)。因此，應(yīng)按照水利部《南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采總體方案》，根據(jù)壓采目標(biāo)，采取不同的壓采措施和保障措施，嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采。對(duì)嚴(yán)重超采區(qū)、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)尤其要嚴(yán)格控制開(kāi)采量，主要是壓縮地下水開(kāi)采量。同時(shí)要充分利用南水北調(diào)來(lái)水、雨季洪水、再生水、微咸水和咸水等替代水源，減少地下水開(kāi)采量。

圖4　透明土制備關(guān)鍵步驟

2透明土物理力學(xué)特性

2.1密度及含油率

透明土中固體顆粒存在大量的毛細(xì)孔道，吸油能力極強(qiáng)，而混合液的密度較小，僅為788.5 kg·m-3，因此透明土密度相對(duì)較小，在910.0～930.0 kg·m-3之間，為天然黏性土的1/2左右.

2.2壓縮特性

表1　燃燒法測(cè)定含油率誤差情況

圖5　不同固結(jié)壓力下透明土含油率

透明土中的無(wú)定形硅石粉末為多孔材料，顆粒內(nèi)存在大量毛細(xì)孔道，而在壓縮試驗(yàn)中賦存于顆粒內(nèi)的孔隙并不會(huì)被壓縮，因此需以顆粒間的空隙反映土樣孔隙比才更具代表性[2].Mannheimer等[11]測(cè)得單位質(zhì)量無(wú)定形硅石粉末顆粒內(nèi)孔隙的吸油量α為2.1 cm3，并提出顆粒間孔隙比ei的計(jì)算式.

(1)

式中：Vv為單位質(zhì)量土樣總的孔隙體積；Vvi為單位質(zhì)量土樣固體顆粒內(nèi)的孔隙體積；Vs為單位質(zhì)量土樣固體顆粒體積；e為土樣總孔隙比；γs為固體顆粒重度.

采用圖4所示的加壓固結(jié)設(shè)備，使透明土樣在37.5 kPa的固結(jié)壓力下固結(jié)穩(wěn)定，然后采用環(huán)刀取樣，并將取得的土樣置于固結(jié)儀中，再施加37.5 kPa的法向力，直至土樣穩(wěn)定后參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]的規(guī)定進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合式(1)得到ei-p曲線(xiàn)和ei-lgp曲線(xiàn)如圖6所示，計(jì)算得到其壓縮系數(shù)av0.1～0.2=1.566 MPa-1，壓縮模量Es0.1～0.2=1.345 MPa，屬于高壓縮性土.通過(guò)與表2中上海黏土層的壓縮指標(biāo)對(duì)比得，透明土的壓縮系數(shù)與壓縮模量大小在上海④層灰色淤泥質(zhì)黏土壓縮系數(shù)和壓縮模量大小的變化范圍內(nèi).表2中ρ為土體密度，c為土體黏聚力，φ為土體內(nèi)摩擦角.

aeilgp曲線(xiàn)beilgp曲線(xiàn)

表2　上海黏土層物理力學(xué)指標(biāo)[13-14]

2.3直剪固快強(qiáng)度特性

2.3.1強(qiáng)度指標(biāo)

參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]中所規(guī)定的操作步驟，對(duì)前期固結(jié)壓力在12.5～300.0 kPa之間的透明土進(jìn)行了30組不同應(yīng)力狀態(tài)的直剪固快強(qiáng)度試驗(yàn)，其中每組應(yīng)力狀態(tài)取4個(gè)試樣.土樣制備時(shí)，先在圖4所示的加壓固結(jié)設(shè)備內(nèi)施加12.5 kPa的固結(jié)壓力進(jìn)行加壓固結(jié)，穩(wěn)定后采用環(huán)刀取樣并將其置于直剪儀中施加試驗(yàn)所需的前期固結(jié)壓力進(jìn)行進(jìn)一步固結(jié).表3為不同應(yīng)力狀態(tài)下透明土的直剪固快強(qiáng)度值.表3中為σear前期固結(jié)壓力，σ為法向壓應(yīng)力.

通過(guò)表3試驗(yàn)結(jié)果可繪制不同前期固結(jié)壓力透明土樣在不同法向力下的直剪固快剪切強(qiáng)度包絡(luò)圖.圖7為前期固結(jié)壓力為50.0 kPa、法向力在0～300.0 kPa時(shí)透明土的直剪固快強(qiáng)度包絡(luò)圖.在理論分析中可根據(jù)土中應(yīng)力狀態(tài)結(jié)合強(qiáng)度包絡(luò)圖確定土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo).如圖7所示，以前期固結(jié)壓力為50.0 kPa的透明土為例，對(duì)部分應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值進(jìn)行說(shuō)明：試驗(yàn)過(guò)程土中應(yīng)力狀態(tài)在0～25.0 kPa之間時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)可取為：c=7.71 kPa，φ=22.24°；應(yīng)力狀態(tài)在100.0～200.0 kPa之間時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)可取為：c=0.92 kPa，φ=27.98°.

圖7　直剪固快強(qiáng)度包絡(luò)圖

對(duì)表3所有不同應(yīng)力狀態(tài)透明土進(jìn)行分析得到透明土直剪固快強(qiáng)度指標(biāo)變化范圍：黏聚力在0～24.18 kPa之間，內(nèi)摩擦角在19.44°～28.63°之間，上海③，④，⑤層典型黏性土的強(qiáng)度指標(biāo)均在該變化范圍內(nèi)，在模型試驗(yàn)中，可通過(guò)調(diào)整透明土的前期固結(jié)壓力來(lái)調(diào)整土體的抗剪強(qiáng)度.

2.3.2剪應(yīng)力-剪切位移特性

a 法向力為50.0 kPa

b 法向力為100.0 kPa

c 法向力為200.0 kPa

以前期固結(jié)壓力為150.0 kPa的透明土樣為例，繪制其在不同法向力作用下的剪應(yīng)力-剪切位移特征曲線(xiàn)如圖9所示.其應(yīng)力位移變化特征與天然黏性土相似：當(dāng)法向力為0～50.0 kPa時(shí)，土樣屬于超固結(jié)土，應(yīng)力位移曲線(xiàn)中具有明顯的峰值，且隨著法向力的增大，達(dá)峰值時(shí)的剪切位移也增大；當(dāng)法向力為150.0～200.0 kPa時(shí)，土樣屬于正常固結(jié)土，土樣表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，隨著剪切位移的增大剪應(yīng)力也增大；法向力為100.0 kPa時(shí)，土樣雖然屬于超固結(jié)土，但曲線(xiàn)中并無(wú)明顯峰值，而是表現(xiàn)為輕微的硬化特性，其主要是由于土樣雖為超固結(jié)土但固結(jié)比較小，且進(jìn)行直剪固快試驗(yàn)時(shí)，在土樣固結(jié)完成后，需卸載至試驗(yàn)所需的法向力引起的.

圖9　前期固結(jié)壓力150.0 kPa透明土剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

3透明土模擬黏性土的模型試驗(yàn)可行性

為驗(yàn)證透明土模擬黏性土應(yīng)用于模型試驗(yàn)的可行性，采用透明土進(jìn)行等沉降速率的室內(nèi)壓板載荷試驗(yàn)，并將試驗(yàn)得到的P-S/b(其中P為壓板底的平均壓應(yīng)力，S為壓板的沉降量，b為壓板寬度)曲線(xiàn)、土中速度場(chǎng)、位移場(chǎng)等與既有研究成果進(jìn)行對(duì)比.

3.1試驗(yàn)方法

3.1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，其主要由圖像采集控制系統(tǒng)、CCD相機(jī)、面激光源、加壓反力架、等速加載儀、拉壓力傳感器、有機(jī)玻璃模型箱、剛性加載板、應(yīng)變采集儀組成.由于面激光源強(qiáng)度為2.5 W時(shí)，其在透明土中的入射深度為170 mm，因此所用有機(jī)玻璃模型箱內(nèi)尺寸長(zhǎng)、寬均設(shè)計(jì)為200 mm，高450 mm，有機(jī)玻璃板厚20 mm；等速加載儀的最大行程為100 mm，加載速率為0.8 mm·min-1；采用黑色聚氯乙烯硬塑料材料模擬剛性加載板，板長(zhǎng)198 mm，寬20 mm，高45 mm；激光器為集成化5W半導(dǎo)體激光器，激光波長(zhǎng)為532 nm；采用科研級(jí)芯片CCD相機(jī)，相機(jī)分辨率2456像素×2056像素，像素尺寸3.45 μm，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大拍攝頻率為16幀·s-1；通過(guò)采用PIV軟件對(duì)圖像進(jìn)行后處理可得到土中連續(xù)位移場(chǎng).

①圖像采集控制系統(tǒng);②CCD相機(jī);③面激光源;④加壓反力架;⑤等速加載儀;⑥拉壓力傳感器;⑦有機(jī)玻璃模型箱;⑧剛性加載板;⑨透明土;⑩應(yīng)變采集儀

與既有研究中的透明砂土不同，模擬黏性土的透明材料在激光照射下并無(wú)法產(chǎn)生明顯的散斑場(chǎng)，因此需在土中加入示蹤粒子，試驗(yàn)中仍采用粒徑為30 μm的珠光粉，由于所采用的珠光粉為大紅色，因此試驗(yàn)過(guò)程中肉眼看到的透明土也呈紅色.土中示蹤粒子含量極低(與固體顆粒質(zhì)量比小于0.05%)，且不會(huì)與土樣發(fā)生反應(yīng)，因此并不會(huì)對(duì)土體的物理力學(xué)特性產(chǎn)生影響.在試驗(yàn)過(guò)程中示蹤粒子會(huì)跟隨著土體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析示蹤粒子與激光相互作用形成的散斑場(chǎng)即可得到土體的位移場(chǎng).

3.1.2試驗(yàn)方案及步驟

根據(jù)土體的前期固結(jié)壓力不同，分別進(jìn)行了前期固結(jié)壓力為12.5，25.0，37.5 kPa的3組壓板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)采用等沉降速率法[16]，沉降速率為0.8 mm·min-1.馬少坤等[17]通過(guò)紅黏土的剛性基礎(chǔ)離心試驗(yàn)得出：垂直方向距基底約4b以下的區(qū)域、水平方向離基底中心4b以外的區(qū)域在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都幾乎沒(méi)有發(fā)生變形，因此為了消除邊界影響，本次試驗(yàn)中壓板置于模型箱中間，壓板中心線(xiàn)距模型箱邊界為5b，固結(jié)完成后的土樣高度保證在6b以上.具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)調(diào)整激光源，通過(guò)旋轉(zhuǎn)面激光發(fā)生器使照射在模型箱外壁上的面激光達(dá)到最薄，同時(shí)調(diào)整激光源與模型箱之間的距離，使面激光的高度與所需觀(guān)測(cè)高度一致，以減小激光能量的損失，微調(diào)面激光發(fā)生器，保證面激光豎直.

(2)打開(kāi)圖像采集控制軟件，結(jié)合軟件調(diào)整CCD相機(jī)，保證相機(jī)鏡頭面與觀(guān)測(cè)面平行，且使相機(jī)恰好能觀(guān)測(cè)到整個(gè)模型土觀(guān)測(cè)面.

(3)根據(jù)模型中事先設(shè)置的尺寸標(biāo)尺及壓板的沉降速率計(jì)算圖像采集頻率，同時(shí)將壓力傳感器采集頻率與圖像采集頻率設(shè)置一致.

(4)打開(kāi)等速加載儀，進(jìn)行等沉降速率的壓板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后將CCD相機(jī)采集的圖像通過(guò)PIV軟件進(jìn)行后處理分析.

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1P-S/b曲線(xiàn)

試驗(yàn)得到的P-S/b曲線(xiàn)如圖11，其中b=20 mm.可知，前期固結(jié)壓力為12.5～37.5 kPa的透明土在壓板載荷試驗(yàn)時(shí)體現(xiàn)為典型的局部剪切破壞特性，與一般黏土的淺埋基礎(chǔ)的荷載沉降曲線(xiàn)發(fā)展規(guī)律相似[18]：在荷載逐步增大的初始階段(AB段)，板底壓應(yīng)力與沉降量大致成正比，在該階段說(shuō)明地基土尚可認(rèn)為處于彈性變形階段；當(dāng)基底壓力超過(guò)直線(xiàn)段后出現(xiàn)一段曲線(xiàn)段(BC段)，荷載沉降曲線(xiàn)的梯度隨荷載的增大而增大，此時(shí)基底出現(xiàn)局部剪切破壞區(qū)；當(dāng)荷載超過(guò)某一特定值后(C點(diǎn))，荷載沉降曲線(xiàn)斜率不隨荷載增大而增大，又近似表現(xiàn)為一段直線(xiàn)，而該特定壓力值就是所要取的極限承載力.

3.2.2土體速度場(chǎng)

各方案壓板沉降過(guò)程中板下土體的速度場(chǎng)及位移場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，因此僅以前期固結(jié)壓力為25.0 kPa的情況為例進(jìn)行說(shuō)明.通過(guò)PIV后處理軟件分析得到壓板沉降量為8 mm(0.4b)時(shí)板下土體內(nèi)的速度場(chǎng)分布特征如圖12a所示，圖中矢量表示各個(gè)位置的速度大小及方向，曲線(xiàn)為速度等值線(xiàn)，其中X表示水平距離，Y表示垂直距離.圖12b為Prandtl破壞模式的速度場(chǎng)，圖中P′表示地表荷載，v0為剛性塊體區(qū)Ⅰ區(qū)的速度，v1為非均勻變形區(qū)Ⅱ區(qū)與Ⅰ區(qū)交界面位移相對(duì)周?chē)馏w的速度，v2為剛性塊體區(qū)Ⅲ區(qū)的速度.由圖可知，模型試驗(yàn)得到的速度場(chǎng)與Prandtl破壞模式速度場(chǎng)形狀相似，但有所不同的是模型試驗(yàn)得到的土中速度在Prandtl速度場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的Ⅱ，Ⅲ區(qū)離壓板越遠(yuǎn)速度值越小，這主要是由于本試驗(yàn)得到的為局部剪切破壞形式，Ⅱ，Ⅲ區(qū)并未出現(xiàn)完整滑移面，處于非極限狀態(tài).

b Prandtl破壞模式速度場(chǎng)

3.2.3土體位移場(chǎng)

壓板豎向位移為8 mm時(shí)，板底土中的沉降s情況如圖13所示.圖13a為壓板底中點(diǎn)以下不同深度土體的沉降情況：板底1.5b深度范圍內(nèi)土體的沉降量較大，這可能是由于該深度范圍內(nèi)土體處于如圖12所示Prandtl破壞模式的Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)土體理論上考慮為隨壓板運(yùn)動(dòng)的剛性體，因此位移量較大，而實(shí)際情況中Ⅰ區(qū)土體除了隨壓板剛性下沉外仍有部分壓縮變形，因此沉降量有隨深度減小趨勢(shì)；同時(shí)可得到壓板下壓過(guò)程中的最大影響深度為3.2b左右.圖13b為板底不同深度土體沿水平方向的沉降分布情況：板底以下寬度范圍內(nèi)土體隨壓板下沉，寬度范圍以外土體因擠壓作用表現(xiàn)為向上隆起，這一分布規(guī)律也與局部剪切破壞情況相似，水平方向最大影響范圍為距壓板底中心線(xiàn)3b左右.

a 沿深度沉降

b 分層沉降沿水平方向的變化

4結(jié)論

(1)采用體積比2.5∶1的15號(hào)白礦油和正十二烷混合液與2 000目的無(wú)定形硅石粉末配制成透明土，并給出了透視性、激光入射深度這2項(xiàng)定量化描述土樣透明度的評(píng)估指標(biāo).

(2)通過(guò)固結(jié)壓縮試驗(yàn)得到，前期固結(jié)壓力為37.5 kPa透明土的壓縮系數(shù)av0.1～0.2=1.566 MPa-1，壓縮模量Es0.1～0.2=1.345 MPa，其在上海④層灰色淤泥質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)及壓縮模量大小變化范圍內(nèi).

(3)通過(guò)與上海重塑黏性土的剪應(yīng)力-剪切位移的特征曲線(xiàn)對(duì)比得出當(dāng)剪切位移較小時(shí)，透明土與上海③，④，⑤層土的應(yīng)力位移特征極為相似；隨著剪切位移增大，相比④，⑤層土，透明土表現(xiàn)出更為明顯的應(yīng)變硬化特性，與③層土較為相似，但其強(qiáng)度值比③，④，⑤層土均要大.

(4)給出了可用于計(jì)算土樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下直剪固快強(qiáng)度指標(biāo)的強(qiáng)度表，得到前期固結(jié)壓力為12.5～300.0 kPa時(shí)透明土強(qiáng)度指標(biāo)變化范圍為黏聚力為0～24.2 kPa、內(nèi)摩擦角為19.44°～28.63°，模型試驗(yàn)中可結(jié)合強(qiáng)度表，通過(guò)調(diào)整透明土的前期固結(jié)壓力來(lái)調(diào)整土體的抗剪強(qiáng)度.

(5)室內(nèi)壓板載荷試驗(yàn)得到的P-S/b曲線(xiàn)及土體位移場(chǎng)與一般黏土中的淺埋基礎(chǔ)的試驗(yàn)規(guī)律一致，表現(xiàn)為局部剪切破壞特性，土體中的速度場(chǎng)大小分布上與經(jīng)典Prandtl破壞模式速度場(chǎng)有一定差別，但其分布形狀相近.

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收稿日期：2015-07-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41472247，51478353)

通訊作者：周俊宏(1989—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)閹r土工程、隧道工程.E-mail:2zhoujh@#edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TU449

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Strength Property and Feasibility Test of Transparent Soil to Model Clayey Soil

GONG Quanmei, ZHOU Junhong, ZHOU Shunhua, JI Chang

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education， Tongi University， Shanghai 201804， China)

Abstract：The transparent soil was developed to model clayey soil, which was composed by amorphous silica powder, white mineral oil and dodecane mixture (2.5∶1 by volume). Based on the consolidated quick direct shear tests of 120 transparent soil samples with different stress states and normal consolidated compression tests, the shear strength under different stress states was given, also the strength and deformation properties were studied and showed high similarity to clayey soil. The loading-settlement curves, ultimate bearing capacity, and velocity field displacement field were obtained by plate loading tests with the same settlement rates. The feasibility of using transparent soil to model clayey soil was finally verified by comparing with some known results.

Key words：transparent soil; clayey soil; laser source; P-S/b curves; direct shear test

第一作者： 宮全美(1967—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程、鐵路線(xiàn)路動(dòng)力學(xué)等.

E-mail: gongqm@#edu.cn