孔隙液体对透明土渗透特性影响对比试验

孔纲强，孙学谨，刘汉龙，2，傅钧义，王成青

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，江苏 南京 210098；2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400450）

1 研究背景

人工合成透明土材料由透明固体颗粒及与其折射率一致的孔隙液体制配而成，以模拟天然饱和土体［1］。目前其国内外最常用的固体颗粒材料为熔融石英砂，孔隙液体有混合油、溴化钙溶液及蔗糖溶液等［2］。针对熔融石英砂制配成的透明土材料基本特性研究，Ezzein等［3］开展了熔融石英砂和混合油制配而成的透明土试样的基本物理力学特性试验，测得了其强度特性及压缩特性等；笔者等开展了不同孔隙液体影响下，透明土试样的强度特性［4］、压缩特性［5］的差异比较及其与天然土体的相似性研究，以及不同孔隙液体折射率试验［6］。不同学者采用不同的孔隙液体材料制配成透明土试样并开展相关研究，但是透明土试样之间的差异性缺少有效的比对，一定程度上限制了该项技术的普适性。然而，目前对于透明土的渗透特性的研究却相对较少，尤其是针对不同孔隙液体条件下透明土试样的渗透特性研究则相对更少。土体渗透特性是岩土工程研究的关键问题之一，其演化特性对土体强度与变形发挥着关键作用，与工程安全问题有密切关系［7］。因此，针对透明土渗透特性分析是非常有必要的。

近年来，在透明土试验技术应用方面，基于熔融石英砂制配成的透明土材料，相关工程技术人员着重开展了沉桩贯入［8］、隧道开挖［9］以及锚杆贯入［10］过程中土体内部位移场研究。Bathurst等［11］开展了土工格栅与土相互作用问题的试验研究，Ahmed等［12］开展了隧道开挖过程中土体变形问题的试验研究，曹兆虎等［13］开展了沉桩过程中挤土效应问题的试验研究，齐昌广等［14］开展了超长桩屈曲变形问题的试验研究，笔者开展了复杂荷载形式下异形桩-土相互作用问题的试验研究［15］。然而，已有研究中多针对土体内部位移场规律开展应用研究，对于透明土材料在土体内部渗流场等方面的应用研究却相对较少。

透明土材料可以作为土体内部渗透场可视化研究的重要手段之一，然而模拟结果的可靠性很大程度上，依赖于透明土材料的渗透特性与天然土体渗透特性之间的相似性。本文针对由熔融石英砂制配成的透明土材料的渗透特性开展系统研究，以期为依托透明土材料开展土体内部渗透场模型试验研究提供技术支撑。首先，开展透明土试样常水头渗透试验；采用与透明土内孔隙液体一致的液体进行渗透，测得透明土在不同孔隙液体及不同粒径、不同密实度情况下的渗透率，并与福建标准砂进行对比分析。由于基于透明土材料进行土体渗流场等相关研究时，往往渗透液体与制配透明土的孔隙液体性质不同，本文还进行了一组渗透液体为水的渗透试验，测得水在不同孔隙液体制配成的透明土中的渗透过程。利用电渗法对3种透明土试样内部渗流场的影响规律进行进一步对比分析，探讨孔隙液体对渗透特性的影响。

2 试验概况

本文试验采用熔融石英砂（折射率为1.4585）模拟“土”颗粒，分别选择3种典型液体（混合油、溴化钙溶液、蔗糖溶液）作为孔隙液体；孔隙液体的折射率调配至与“土”颗粒折射率一致，均为1.4585。首先针对3种典型液体制配成的透明土试样的渗透特性进行系统测试，同时开展福建标准砂的常水头渗透试验作为对比分析；然后对其进行电渗模型试验，着重对比分析孔隙液体种类对土体内部渗透场的影响规律。

2.1 透明土试样制配及福建标准砂 熔融石英砂及福建标准砂颗分试验结果如图1所示。基于比重瓶法，测得熔融石英砂的平均比重约为2.14，约为福建标准砂比重（2.65［16］）的80.8%。基于漏斗法和振击法，分别测得的最小与最大干密度值如表1所示。

表1 固体颗粒最大、最小孔隙比

2.2 渗透试验装置 参照《土工试验规程》［16］要求测定土体渗透性能，常水头试验通常使用TST-70型渗透仪，其中封底圆筒的横截面内径尺寸为9.44 cm（内截面积A=70 cm2），设备总高40 cm，底部金属板孔以上为32 cm。装置一侧设置有3个测压管，用于测定渗流至不同位置处的水头，测压管相邻中心距L=10 cm。

与天然饱和土体不同，制配透明土所采用的孔隙液体与天然土体中的孔隙水不同。因此，通过在TST-70型渗透仪上方接入装有制配透明土的孔隙液体的容器作常水头，如图2所示。

图1 颗粒分析试验曲线

图2 常水头试验装置

2.3 电渗模型试验装置与步骤 电渗模型试验装置，由阻尼式隔振光学平台、直流电源、电极、CCD相机及计算机（包括CCD相机自带控制软件MV-capture和PIV图像后处理软件）等部分组成。直流电源为深圳兆信RXN-605D可调直流电源，可调输出电压为0～60 V，可调输出电流为0～5 A，电极为两根铜管。模型槽内试样尺寸为400 mm×30 mm×55 mm（长×宽×高）［17］。

电渗法透明土模型试验按以下步骤进行：（1）试样制配和仪器检查。选用0.5～1.0 mm粒径的熔融石英砂，根据试样的设计密实度和体积，称出熔融石英砂质量。配制相同折射率的混合油、溴化钙溶液及蔗糖溶液等3种典型孔隙液体。配制并称取1 mol/L浓度的氯化钙（CaCl2）溶液。检查模型槽和电源：检查模型槽四周是否漏水，检查电源是否正常工作，电压电流显示是否正常。（2）分层装样。先在模型槽里倒入孔隙液体，然后将熔融石英砂分层缓慢倾倒入孔隙液体中，并用玻璃棒不断搅拌，保持液体水平面略高于熔融石英砂颗粒表面。如此分批分层装样，并用木锤压实，确保密实度；试样相对密实度约为30%。（3）进行电渗并拍照记录。在土样两端位置处插入铜电极，并接到直流电源上（电源正极的为阳极，负极为阴极）。从阳极铜管处通入氯化钙溶液200 ml，而后打开电源开关，调节电压，此时土样中开始通电，进行电渗，同时用CCD相机连通电脑用MV-capture软件从试样正前方和上方进行拍摄，每隔5 s拍摄一次。（4）数据图像处理。渗流过程透明度发生变化，用CCD相机进行拍摄，然后用PIV View2软件对CCD相机所拍摄的照片进行处理，分析探讨不同孔隙液体对土体电渗过程中渗流场的影响规律。

2.4 试验方案与工况设计 针对不同孔隙液体、相对密实度及粒径范围的透明土试样进行常水头渗透试验，测定其渗透系数，根据孔隙液体密度和黏滞性换算出试样的渗透率，并与福建标准砂试验结果进行对比分析。由于基于透明土材料进行土体渗流场相关研究时，往往渗透液体与制配透明土的孔隙液体性质不同，还增加了一组渗透液体为水的渗透试验，初步探讨其在不同孔隙液体、相对密实度、及粒径范围的透明土试样中的渗透过程。探讨不同孔隙液体对透明土材料电渗模型试验过程中渗流场影响规律时，分别考虑了电压、电渗时间等因素影响；电极间距均为40 cm，通电时间为2 h。渗透试验与电渗模型试验工况设计分别如表2、表3所示。

表2 渗透试验工况

表3 电渗模型试验渗流场对比分析工况

3 渗透试验结果与分析

3.1 孔隙液体对渗透特性的影响 渗透液体为水或者与孔隙液体一致情况下，不同孔隙液体制配成的透明土试样渗透系数对比图及渗出液体浓度（体积比）与时间关系曲线分别如图3和图4所示。

由图3可见，混合油、溴化钙溶液、蔗糖溶液和水等不同孔隙液体制配的透明土渗透系数有明显区别，蔗糖溶液制配的透明土的渗透系数为2.42×10-4～4.66×10-3cm/s，混合油的1.05×10-3～1.75×10-2cm/s，溴化钙溶液的渗透系数为1.93×10-3～7.33×10-2cm/s，且这3种孔隙液体在熔融石英砂中的渗透系数均比水在熔融石英砂中的渗透系数小（1.12×10-2～2.85×10-1cm/s）；这主要与孔隙液体的黏滞系数相关。常温下蔗糖溶液、混合油、溴化钙溶液和水的黏滞系数是依次减小的，溶液的黏滞系数越大，该溶液在土体中的渗透越慢。福建标准砂渗透系数为3.39×10-2cm/s，混合油、溴化钙溶液制配成的透明土渗透系数与福建标准砂的渗透系数相对接近。根据渗透系数计算公式（1），可以换算出扣除流体密度和黏滞性影响的渗流率值K。

式中：k为渗透系数，m/s；K为固有渗透率，m2；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体黏滞系数，Pa·s；η为动力黏滞系数，m2/s；g为重力加速度，9.8 m/s2。

由式（1）可得，蔗糖溶液配制的透明土试样渗透率为2.74×10-7～5.28×10-6cm2，混合油制配的透明土试样渗透率为2.98×10-7～4.96×10-6cm2，溴化钙溶液配制的透明土试样渗透率相对较小，为3.08×10-8～1.17×10-6cm2。水在熔融石英砂中的渗透率为1.14×10-7～2.91×10-6cm2，与蔗糖溶液、混合油等两种透明土试样渗透率值相近。

图3 孔隙液体对渗透系数影响

图4 渗出液体浓度（体积比）与时间关系曲线

同一种孔隙液体中0.075～1.0 mm的熔融石英砂渗透率最小，0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm两个粒径总体上渗透率相接近，这主要与粒径大小和级配、孔隙比等有关，0.075～1.0 mm的熔融石英砂细粒含量较多，且孔隙比相对较小。文献［18］研究结果表明，渗透率与颗粒级配特征值d20和曲率系数有关，分析计算0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm两个粒径的d20和曲率系数相近，所以其渗透率也相近。饱和福建标准砂的渗透系数（3.39×10-2cm/s）略大于水饱和0.075～1.0 mm的熔融石英砂（渗透系数为1.12×10-2cm/s），小于水饱和0.25～5.0 mm（渗透系数为2.55×10-1cm/s）与0.5～1.0 mm（渗透系数为2.85×10-1cm/s）的熔融石英砂试样。

当渗透液体为水时，不同孔隙液体制配的透明土试样渗出液体浓度（体积比）随时间变化的对比曲线如图4所示。其中，蔗糖溶液和溴化钙溶液浓度变化通过阿贝折射仪测定其25℃下的折射率，然后根据文献［4］的孔隙液体折射率与浓度关系曲线，确定出溶液浓度；混合油由于与水不互溶，所以流出的溶液静置一段时间之后会有明显分层现象，混合油密度较小在上层，水密度较大在下层，用量筒测定其体积比；当孔隙液体为蔗糖溶液或溴化钙溶液时，通过测量渗流出来的溶液的浓度来计算渗流液体（水）与孔隙液体各自所占的比例。由图4可见，0.25～5.0 mm和0.5～1.0 mm两种粒径材料，当孔隙液体分别为溴化钙溶液、混合油和蔗糖溶液时，渗出液体浓度（体积比）达到峰值的时间接近。但是，0.075～1.0 mm粒径材料，当孔隙液体分别为溴化钙溶液、混合油时，渗出液体浓度（体积比）约在渗流30 min后达到峰值，而孔隙液体为蔗糖溶液时，蔗糖浓度呈现一直上升的趋势。这应该是由于蔗糖溶液黏度高，且0.075～1.0 mm粒径渗透系数小，蔗糖溶液较难流出的原因。

3.2 相对密实度对渗透特性的影响 图5是混合油制配的透明土试样（0.075～1.0 mm、0.25～5.0 mm、0.5～1.0 mm）与福建标准砂水样在两种相对密实度下渗透系数对比图。由图5可见，相对密实度较大的透明土试样，渗透系数小，即随着干密度增大，渗透系数随之减小，规律与福建标准砂一致。这主要是因为土样孔隙比随相对密实度增大而减小，这与文献［18］研究结果相符：渗透系数因干密度的增大而减小。标准砂的渗透系数相比较透明土试样要大，主要是因为其渗透液体是水，而水的黏滞性比混合油小，所以渗透系数大。

当渗透液体与孔隙液体不一致时，混合油制配的不同密实度的0.5～1.0 mm的透明土试样渗出液体体积比随时间变化的对比曲线如图6所示。由图6可见，在3个不同的相对密实度下，均在开始渗流的第8 min左右，渗流出的混合油比例达到峰值，说明混合油基本渗透完了。

图5 相对密实度对渗透系数影响

图6 相对密实度对渗出液体体积比与时间关系影响曲线

3.3 粒径对渗透特性的影响 当渗透液体与孔隙液体不一致时，不同粒径的透明土试样渗出液体浓度（体积比）随时间变化的对比曲线如图7所示。由图7可知，在相近的密实度下，0.25～5.0 mm的透明土试样渗出液体浓度（体积比）最快达到峰值，约在渗流开始5 min后；0.5～1.0 mm次之，约在渗流开始10 min后，而0.075～1.0 mm粒径的试样在不同溶液中表现的渗透特性有很大的不同：孔隙液体为溴化钙溶液或混合油时，在开始渗流之后的30 min左右渗出液体浓度（体积比）达到了峰值，但是在蔗糖溶液中持续渗透2.5 h还未出现峰值，蔗糖浓度一直上升。这很大程度是因为0.075～1.0 mm粒径渗透系数小，且蔗糖溶液黏度高，蔗糖溶液较难流出的原因。

图7 粒径对渗出液体浓度（体积比）与时间关系影响曲线

4 电渗模型试验结果与分析

4.1 孔隙液体对土体内部渗流场的影响 由2.3节可知，对于0.5～1.0 mm粒径的透明土试样，约在渗透液体开始渗透10 min后孔隙液体基本渗透完。因此，选取对混合油、溴化钙溶液及蔗糖溶液制配的透明土试样电渗10 min后液体渗流流速矢量图和水平位移等值线图进行了分析，如图8所示。由图8可知，液体渗流从阳极向阴极发生，且混合油、蔗糖溶液制配的透明土试样中液体渗流流速较大，约达到0.3～0.4 mm/min，局部流速更大。溴化钙溶液制配的透明土试样中液体渗流流速较小。整体上，混合油、蔗糖溶液制配的透明土中液体渗流流速较大，溴化钙溶液制配的透明土试样中液体渗流流速较小，达到0.1～0.2 mm/min左右。这表明不同孔隙液体制配成的透明土试样电渗法模型试验过程中，溴化钙溶液制配的透明土试样中渗流场没有混合油及蔗糖溶液制配的透明土试样中现象明显，这可能是由于当孔隙液体为溴化钙溶液时，Br-的存在，对电渗过程有一定影响。

图8 三种透明土试样电渗10min时流速矢量图与水平位移轮廓

4.2 电压及电渗时间对土体内部渗流场的影响 以混合油制配成的透明土试样为例，当电极间距均为40 cm，通电时间为10 min时，15、25和35 V等3种电压情况下，由混合油制配的透明土试样，液体渗流流速矢量图和水平位移等值线图如图9所示。由图9可知，液体渗流整体上从阳极向阴极发生，局部位置由于相对密实度、粒径等因素影响略有偏向；不同电压条件下，混合油制配的透明土中液体渗流流速最大达到0.3～0.4 mm/min；电压幅值对渗流流速影响不明显，这可能是由于透明土试样中的离子量总量一致所造成的。

图9 不同电压下电渗10min时流速矢量图与水平位移轮廓

选择电渗时间分别为2、5和10 min时，进行图像处理对比。混合油制配的透明土试样在35 V电压下，注入200 ml CaCl2溶液电渗2、5和10 min后，液体渗流流速矢量图和水平位移等值线图如图10所示。由图10可见，流速矢量图整体是由阳极向阴极移动，随着电渗时间增加，液体渗流位移量有所增加。电渗2 min后，液体渗流位移量达到1 mm；电渗5 min后，液体渗流位移量达到3 mm；电渗10 min后，液体渗流位移量达到4 mm左右；液体渗流流速随时间非线性变化，大致变化趋势是先增大后减小。

图10 电渗不同时刻的流速矢量图与水平位移轮廓

5 结论

本文针对熔融石英砂与3种典型孔隙液体制配成的透明土试样，开展了系列渗透特性测试，测得透明土材料在不同孔隙液体及不同粒径、不同密实度情况下的渗透系数及渗透与时间变化过程，并与福建标准砂进行了对比分析。续而开展了电渗模型试验，初步探讨了孔隙液体种类对透明土内部渗流场的影响规律，可以得到如下几点结论：（1）溴化钙溶液、混合油和蔗糖溶液制配成的透明土试样渗透率依次增大，混合油、蔗糖溶液制配成的透明土试样渗透率与福建标准砂的渗透率相对相近；（2）当渗透液体与孔隙液体不一致时，与常规的常水头试验不太相符，所以用渗出的液体浓度进行现象描述。水在透明土试样进行渗透时，0.25～5.0 mm的透明土试样渗出液体浓度（体积比）最快达到峰值，约在渗流开始5 min后；0.5～1.0 mm约在渗流开始10 min后达到峰值；0.075～1.0 mm粒径的透明土试样在不同溶液中表现出不同的渗透特性：孔隙液体为溴化钙溶液和混合油时，在开始渗流之后约30 min，渗出液体浓度（体积比）达到了峰值，但在蔗糖溶液中持续渗透2.5 h蔗糖浓度仍一直上升；（3）溴化钙溶液制配的透明土试样中液体渗流，较混合油及蔗糖溶液制配的透明土中的现象相对不明显一些。混合油、蔗糖溶液制配的透明土中液体渗流位移量达到3～4 mm；溴化钙溶液制配的透明土中液体渗流位移量达到1～2 mm。

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