熔融石英砂透明土與普通含粉砂土的剪切強(qiáng)度對比研究

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(xì)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(yùn)移情況?；谕该魍敛牧系目梢暬囼灱夹g(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(jìn)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(jìn)行了分析。后來很多學(xué)者嘗試進(jìn)行小尺寸的透明砂土模型試驗；Sun 等［5］采用透明砂土進(jìn)行了隧道開挖過程模擬研究；曹兆虎等［6］采用透明砂土進(jìn)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(qiáng)等［8］基于三軸試驗進(jìn)行強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)砂的剪切位移與應(yīng)力關(guān)系，認(rèn)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(xì)水作用下潮濕砂土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式，詳細(xì)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(rèn)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(qiáng)度特性進(jìn)行對比分析，進(jìn)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(dāng)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(xiàn)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(zhǔn)備3 個膠頭滴管。將燒杯置于精確度可達(dá)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(dāng)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(jìn)行充分?jǐn)嚢韬?，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(xiàn)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(dāng)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?jǐn)嚢枰韵龤馀?。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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)，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?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)測力計中的量表指針不再前進(jìn)，或有顯著后退，表示試樣已經(jīng)剪切破壞。當(dāng)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(qiáng)度，這時剪切至剪切位移達(dá)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(jìn)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(jìn)行。

剪切強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度高。而土體中含有一定的水分時，會在原來抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)含液量達(dá)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(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度。但是，當(dāng)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(qiáng)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(xì)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(dá)到2.5 mm 時剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且當(dāng)剪切位移固定在2.5 mm 時，其剪應(yīng)力隨著細(xì)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(xì)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(qiáng)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(xì)顆粒的增加，兩者抗剪強(qiáng)度均增強(qiáng)。在15%含水量下，配比④比①抗剪強(qiáng)度增加了15.7%；在相同配比下，兩者的抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行模擬。相比于天然砂土，利用熔融石英砂透明土進(jìn)行潛蝕試驗可以從土體內(nèi)部觀測顆粒運(yùn)移情況，從根本上認(rèn)識潛蝕發(fā)生發(fā)展機(jī)理，解決傳統(tǒng)方法無法觀測土體內(nèi)部的缺陷。