土体渗流问题模拟装置的研发及实验教学应用

孙文静, 刘 珂, 陈 超, 张孟喜

(上海大学 土木工程系，上海 200444)

0 引 言

土力学是土木工程的主干专业基础课程，土力学实验是土力学课程教学中必不可少的实践性教学环节[1-2]。通过实验以及动手操作，学生可以更深刻地理解和验证土力学基本概念和原理，同时能培养学生的动手及解决实际问题的能力。土的渗透性是土力学的三大研究内容之一，是“土力学”本科教学的重要内容，也是难点之一[3-4]。

土体中孔隙的形状和大小是极不规则的，因而水在土体孔隙中的渗透性是一种十分复杂的水流现象[5]。水在土中的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，而与渗径长度成反比[6-7]。

水流在渗流场内的运动通常用流网表示。流网是在渗流场内由流线和等势线正交组成的网格状曲线簇。流线是指水沿水头(水位)降低方向运动的轨迹线，在稳定流中轨迹上任一点的切线与此点的流动方向相重合。等势线是测管水头相同的点之连线。在各向同性介质中，等势线是与流线相互正交的等水位线[8]。流线轨迹上任一点可以反映水在渗流场中的运动方向以及流动速度，流线愈密集，表明该处的水力坡降愈大，渗透速度也愈大；流线愈稀疏，则水力坡降愈小，流速也愈小。渗流网较密处水力梯度较大，该处渗透力也大；不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同[9]。目前，人们通常用解析法、数值法和电模拟法来绘制流网[10]，但是这些方法比较复杂，不能在试验中进行形象的模拟。

近年来，土力学典型问题的可视化已经逐渐引起了国内外学者的重点关注。林伟岸等[11]以土体的主动、被动破坏为例，阐述了教学演示仪器的研制与实践过程。沈扬等[12]自主研发了用以反映裂缝、沉陷等现象的可视化演示模型试验系统；李光范等[13]结合太沙基一维固结理论和排水、固结过程，制作出有关太沙基一维固结理论的教学课件。可视化技术被引入到实验教学及科研中，在一定程度上改变了传统的教学模式，可以比较直观、形象地演示土力学的部分现象，有利于激发学生对土力学的学习兴趣并深入理解相关概念。

土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形(渗透破坏)，表现出的基本类型有流土现象、管涌现象[14]。其中，流土现象是在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象[15]。只要渗透力足够大，可发生在任何土中，破坏过程短，可导致下游坡面产生局部滑动。管涌现象为一定级配的无黏性土中的细小颗粒，在渗流作用下，通过较大颗粒间的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道[16]。管涌的产生主要是因为有足够多的粗颗粒形成大于细颗粒尺寸的孔隙通道以及足够大的渗透力。通常发生在特定级配的无黏性土或分散性黏土。破坏过程相对较长，可导致结构发生塌陷或溃口。

为配合本科生“土力学”教学，深化拓展“土力学”实验教学内容，作者研发了一套“土体渗流模型装置”，可以向学生形象地展现渗流过程中土体中的流网，通过调节渗流水头差，还可观察到流土、管涌等一系列实际工程破坏现象。同时，在渗流实验教学过程中，还可以创造性地开展多种工况下的渗流试验[17]，如改变孔隙比、渗径长度、土的颗粒级配等物理指标，分析相关参数对试验结果的影响。让学生在创新性实验教学过程中加深对土体渗流的理解与掌握。

1 土体渗流模型装置的主要功能及组成

土体渗流模型试验装置实物图如图1(a)所示，示意图如图1(b)所示。该模型装置包括安装有可移动隔板的双室有机玻璃容器和移动进排水装置。

(a) 实物图

(b) 示意图

双室有机玻璃容器中设有活动隔板，隔板与双室有机玻璃容器侧面结合处设有套槽，隔板在套槽中可移动，用于调节渗径长度。套槽内附有一层海绵垫，使隔板和套槽紧密结合在一起，起到密封效果。双室有机玻璃容器正面容器壁中间和隔板结合处，标有长度为450mm的毫米级刻度，底部为刻度起点。

双室有机玻璃容器右侧面上端有一个进水孔，下端有一排水孔，对外连接一个体变管，隔板右测的容器底部中心位置设有一个排水孔，排水孔与容器壁的内壁交接处贴有滤砂层。

双室有机玻璃容器左右两侧分别设有两套移动排水装置，用于调节左右两室的水头差。该移动排水装置由材质为弹簧钢的钢片(表面包裹一层塑胶膜)，置于上下两端的钢片盒和排水孔组合而成，排水孔与钢片间空隙用硅胶密封，钢片可以卷进钢片盒里。双室有机玻璃容器左、右侧壁中间位置分别开有宽度为20 mm的竖向开口，侧壁外侧设有套槽，套槽内附有海绵垫增加密封性。钢片固定在套槽内，通过旋转钢片盒上的旋杆可调节排水孔的位置。

使用该仪器不仅可以进行渗流场流网模拟试验，观察土体渗透变形，流土、管涌等现象，还可测量土的渗透系数，以及量测不同土体水力坡降和渗流速度的关系。

2 土体渗流模型装置的应用

2.1 渗流网中流线观测

图2为流网的示意图，带箭头的实线为流线，与其正交的虚线为等势线。进行流线观测试验时，把双室有机玻璃容器中间隔板调到合适的位置，在双室有机玻璃容器左右两侧放置适量的砂土。关闭底部排水孔的阀门及右侧排水阀门，将左侧排水孔调到土样顶部位置并打开左侧排水阀门，打开右侧进水阀门使水位始终保持不变。在右侧土样的上表面与仪器正面壁的交接线处，等间距地用针管注入红色液体，观察水在渗流场中的渗流现象及流线图，如图3所示。

图2 流网示意图[14]

2.2 土的渗透变形试验观测

观察土的渗透变形试验时，对于流土现象：按2.1节的步骤调节有机玻璃容器中间隔板、调节两侧排水孔高度、关闭底部排水孔阀门，分别向双室有机玻璃容器左右两侧放置适量的流土型土(右侧土的高度高于左侧)，在两侧土的上部附一层粗骨料，打开进水孔，观察流土现象，当刚开始发生流土时，将右侧移动排水孔调整到右侧水位位置，当发生严重流土现象时，将左侧排水孔调到左侧水位线位置。将观察流土现象时使用的流土型土，换成颗粒粒径相差较大的不均匀砂土，可以观察土的管涌现象。把上部的粗骨料换成黏土，还可以观察突涌现象。

2.3 土体渗透系数量测

测量土的渗透系数时，需把中间档板下移到仪器最底部，把移动排水孔调到与进水孔齐平的位置，关闭底部排水孔的阀门，打开体变管的阀门，向隔板右侧容器放入土，打开进水孔和移动排水孔。当水位到达排水孔位置并稳定时，打开底部排水孔，用量杯测量一段时间内的渗水量，并用秒表计时。

2.4 改变渗流影响因素在模型试验中的应用

重复2.2的试验步骤，调节移动排水孔，改变水力坡降，待水位线稳定时，开始计时，并测量此段时间的透水量，得到不同水力坡降与渗流速度的关系[18]。改变土体类型，重新进行试验，比较不同土体类型水力坡降与渗流速度的关系。

以上试验方案具有一定的综合性，以提高学生的综合性实验能力为目的。而且，又具有设计、创新性，让学生在实验方案的设计、仪器设备的选择、实验条件的确定等方面受到良好的训练。同时，让学生可以更加直观地观测一些实际工程中发现的渗流变形现象，更好地掌握渗流理论。

3 实例分析

3.1 渗流网中流线及管涌、流土现象观测试验

图3为利用研发的渗流模型试验装置记录下的砂土渗流全过程，可以清晰地观察到渗流场流线，同时，可以观察到土体中的细颗粒沿着土体骨架颗粒间的孔道移动或被带出土体，即管涌现象的发生。1～6 s时没有观察到土体发生明显变化，只是在细部发现细颗粒沿粗颗粒骨架运移的现象。从第7 s开始，随着渗流坡降继续增大，管涌现象越来越明显，第12 s时发生突涌、流土破坏，土体破坏，渗流模拟试验结束。另外，将左侧土体上部放置一层黏粒含量较多的土体进行渗流试验，还可以观测到渗流过程中黏土层被整体抬升，最终在薄弱点发生突涌现象。

通过该渗流模型试验，学生可以非常直观地观察到渗流网中的流线以及工程中所遇到的管涌、流土、突涌现象，加深对土体渗流问题的理解与掌握。同时，在渗流实验教学过程中，改变孔隙比、渗径长度、土的颗粒级配等物理指标，开展更多实验工况下的渗透试验，引导学生们的创新思维，让土力学的实验教学更有趣味性。

3.2 土体渗透系数的量测

利用研发的渗流模型试验装置量测掺有少许黏粒砂土的渗透系数。试验所用黏土和砂土的物理指标如下：砂土比重Gs=2.65，平均粒径D50=0.34 mm，不均匀系数Cu=1.97，最大干密度ρdmax=0.96，最小干密度ρdmin=0.73，压缩指数Cc=0.08；黏土比重GS=2.72，液限wL=125%，塑限wp=30%，塑性指数IP=95。将黏土与砂土分别按干质量比为30∶70、20∶80的两种配合比混合，试验采用去离子水。根据预设干密度、含水率配制所需土样，将其放入渗流模型箱的右侧，按上述2.3节的试验步骤进行渗透系数测定试验。

图4为整理得到的黏土含量为20%和30%的两种混合砂土的孔隙比与渗透系数在双对数坐标下的关系曲线。可以看出，在同一掺砂率下，随着孔隙比的增大，渗透系数也会随之增大。相同孔隙比下，渗透系数随着掺砂率的增大而增大。同时，对掺砂率α为70%，初始孔隙比为0.58的试样用变水头的方法进行渗透系数的测试[19]，测试结果为2×10-8cm/s，图中用“◇”标出。可以得出，用渗流模型试验装置所测得的渗透系数与变水头方法测得的结果相近，这也证明了使用该渗流模型试验装置测试土体渗透系数的可行性。

图4 含黏性砂土的渗透系数随孔隙比的变化规律

4 结 语

本文研发了一种可调节水头的渗流模型试验装置。该模型装置可以进行渗流场流网模拟试验；通过调节渗流水头差，可以观测土体渗透变形，如流土、管涌及突涌等一系列工程破坏现象；还可测量土的渗透系数，并得到不同土体水力坡降和渗流速度的关系；通过改变孔隙比、渗径长度、土的颗粒级配等物理指标，还可以开展多种试验工况下的渗流试验，分析相关参数对试验结果的影响，引导学生们的创新思维，让“土力学”的实验教学更有趣味性，寓教于乐，让学生有乐趣去吸取知识。

该渗流模型试验是对“土力学”教学的有益补充，目前，该试验装置已在上海大学“土力学”实验教学中得到了成功应用，依托于该装置的实验教学改变了以往单一的、以验证性实验项目为主的传统岩土实验教学模式，构建了综合性、设计性、创新性的“三性”岩土实验教学新途径。

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