熔融石英砂透明土与普通含粉砂土的剪切强度对比研究

魏 永 程马遥 陈林生 郭家仪

（佛山科学技术学院，广东 佛山 528225）

0 引言

潜蚀是指土体在水流的作用下，细小颗粒在骨架颗粒形成的通道中移动，较大颗粒发生转动的现象。由于土体的不透明性，难以从土体内部观测发生潜蚀破坏前颗粒的运移情况。基于透明土材料的可视化试验技术是在寻求实现土体内部变形、渗流等研究的可视化过程中产生的，它的起源及发展得益于现代光学观测技术和数字图像技术的迅猛发展［1］。透明土的出现，使非介入式土体连续变形测量成为可能，如Liu［2］开发了一套与透明土相适应的变形测量系统，该系统利用激光散斑技术实现透明土试验的观测；Stanier［3］采用透明土进行十字板剪切模型试验，研究了剪切板竖向插入及旋转时透明土的变形特征。在深基础及结构和土体相互作用方面，Song 等［4］将透明土应用于离心模型试验中，对锚板在嵌入黏土过程中的锚固力损失进行了分析。后来很多学者尝试进行小尺寸的透明砂土模型试验；Sun 等［5］采用透明砂土进行了隧道开挖过程模拟研究；曹兆虎等［6］采用透明砂土进行了沉桩贯入试验；齐昌广等［7］基于透明砂土模型试验研究了塑料套管混凝土桩的挤土效应。在透明土材料的选择上，孔纲强等［8］基于三轴试验进行强度特性对比，研究玻璃砂透明土对天然砂土的可替代性。高岳［9］在干燥状态下通过直剪试验对比了熔融石英砂与天然标准砂的剪切位移与应力关系，认为两者变化接近。在基质吸力方面，相关研究较少，雷胜友［10］推导了毛细水作用下潮湿砂土的抗剪强度表达式，详细讨论了含水量对大小主应力的影响；张平等［11］通过研究非饱和砂土基质吸力，认为基质吸力随着含水量的增加而增大，且存在一个临界含水量。

笔者在已有的研究基础上，制备了不同级配的透明土和天然砂土，在4 种不同含液量下，对其强度特性进行对比分析，进一步验证熔融石英砂对砂土的可替代性。

1 透明土的配置

透明土是由可替代天然土的颗粒和可替代水的孔隙溶液组成。当颗粒与孔隙溶液的折射率一致时，其配置出来的土是透明的。一般情况下溶液的折射率受温度影响较大。因此，需注意温度变化对透明土的影响。

1.1 孔隙液体的选取

试验选取的透明土基料为熔融石英砂，与相同折射率孔隙溶液混合后成为透明土。孔隙液体选择多样，包括：溴化钙溶液、葡萄糖溶液、15#白油与正十二烷混合溶液等。3 种溶液对比分析如表1所示。

表1 孔隙溶液对比

通过对比，基于实验室条件，选取15#白油和正十二烷混合溶液作为透明土的孔隙液体。

1.2 混合溶液配合比试验

已有文献表明熔融石英砂的折射率为1.458 5［12］。要想获得良好的透明度，混合溶液的折射率应与熔融石英砂的折射率误差控制在±0.001。试验设置具体步骤如下。

步骤1：使用折射仪测取15#白油与正十二烷的折射率。

步骤2：准备3 个胶头滴管。将烧杯置于精确度可达0.01 g 的电子天平上，去皮，使用胶头滴管吸取正十二烷并滴于烧杯中，当称取0.1 g 后停止滴落。

步骤3：将电子天平去皮清零，使用新的胶头滴管吸取15#白油并滴于烧杯中，直至称取1.0 g后停止。

步骤4：用玻璃棒将两种混合的液体进行充分搅拌后，用玻璃棒取一滴混合液体置于折射仪被测区域，读取数值。

步骤5：由于测得15#白油折射率为1.461 0，正十二烷为1.420 5，根据文献记载，熔融石英砂折射率为1.458 5。若混合液体折射率小于1.458 5，则依次增加15#白油剂量，每次增加0.1 g，每次测量对应混合液体的折射率，正十二烷剂量保持不变。若混合液体折射率大于1.458 5，则对应依次减少15#白油剂量，每次减少0.1 g，测出对应的折射率，正十二烷剂量保持不变。

步骤6：当成功配出1.458 5 的混合折射率之后，记下对应的质量比。然后配置一定量的混合液体于亚克力板中，将不同级配的熔融石英砂缓慢倒入混合液体里面并充分搅拌以消除气泡。静置1 h，将写满字的纸置于亚克力板背面，若能清晰地看到字，则说明透明度良好，否则进行微调。不同配比下混合油折射率的变化如图1所示。

图1 折射率随混合油比例变化示意图

由图1可知，在15#白油与正十二烷在20∶1时，其折射率在1.458 5，与熔融石英砂的折射率一致，取此比例为最优配比。

2 直剪试验

2.1 仪器设备

①采用ZJ-4 应变控制式直剪仪（4 联无级调速，手动&电动）。

②环刀：内径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、滤纸、毛玻璃板、凡士林等。

2.2 试验概况

采用直剪试验，设置了8 组不同颗粒级配的土，在4钟含液量下：0%、15%、20%、25%，对比熔融石英砂透明土与普通砂土岩土工程性质。颗粒级配占比如表2所示。

表2 颗粒粒径占比表

2.3 试验操作步骤

步骤1：将普通土与透明土烘干后按照0.2～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm进行筛分。

步骤2：通过称取环刀装满土后重量为101.23 g。因此，本试验以200 g 为基准，按照表2 中配比①的各粒径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，此为一组。以上配备相同的四组置于4 个容器中。完成之后，分别称取0 g、30 g、40 g、50 g的水倒入四组容器中，充分搅拌均匀。

步骤3：检查下盒底两滑槽内钢珠是否分布均匀，在上下盒接触面及上下盒内部圆环涂抹少许凡士林，对准剪切盒的上下盒，插入固定销钉，在下盒内依次放一块洁净透水石及一张滤纸。

步骤4：将盛有试样的环刀平口朝下，刀口朝上，在试样面放一张滤纸及一块透水石，对准剪切盒的上盒，然后将试样通过透水石徐徐压入剪切盒底，移去环刀，并依次加上传压板、钢珠及加压框架。

步骤5：在量力环中安装百分表，然后按顺时针方向徐徐转动手轮，使上下盒两端的钢珠恰好与量力环接触（量力环中百分表指针被触动）。

步骤6：顺次加上传压板、钢珠，加压框架，按照正应力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 放置对应的砝码数量，如表3所示。

表3 正应力与砝码个数对应表

步骤7：施加垂直压力（正应力）后应立即拔去固定销钉。以8 s/r的均匀速率转动手轮，使试样在3～5 min 内剪损。当测力计中的量表指针不再前进，或有显著后退，表示试样已经剪切破坏。当百分表指针不后退时，以剪切位移4 mm 对应的剪应力为抗剪强度，这时剪切至剪切位移达6 mm 时停止剪切。

步骤8：卸除压力，取下加力框架、钢珠、加压盖等，倒出试样，刷净剪切盒。

步骤9：透明土地配置与试验按照步骤2～9进行。

步骤10：以上一种级配的普通土与透明土完成试验后，依次对其余②～⑩级配按照步骤2～9进行。

剪切强度计算公式如式（1）。

式中：R为量力环中百分表最大读数，或剪切位移为4 mm 时的读数，精确至0.01 mm；C为量力环校正系数，kPa/0.01mm，从仪器上抄写，本试验中取1.89。

剪切位移计算公式如式（2）。

式中：0.2为手轮每转一圈，剪切盒位移0.2 mm；n为手轮转数。

剪应力由式（1）计算得出。记录不同时刻量力环中的读数R，通过式（1）计算得出不同时刻的剪应力变化。

2.4 应力与剪切位移

土的抗剪强度受含液量和颗粒级配的影响。颗粒级配连续的土，其内部颗粒与颗粒之间所形成的孔道被更小的颗粒填充，形成的土体密实，抗剪强度高。而土体中含有一定的水分时，会在原来抗剪强度的基础上，增加了水与空气表面的张力，即基质吸力，砂土之间的基质吸力称为假黏聚力，这种假黏聚力提高了砂土的抗剪强度。以下分别从含液量和级配来讨论土的应力。

2.4.1 含液量的影响。不同含液量下，熔融石英砂与天然砂土有相似的变化规律，以配比①四种含液量的变化为例。0%、15%、20%、25%含液量下两种土的应力与剪切位移变化如图2 至图5 所示。

图2 0%含液量下剪应力与剪切位移变化

图3 15%含液量下剪应力与剪切位移变化

图4 20%含液量下剪应力与剪切位移变化

图5 25%含液量下剪应力与剪切位移变化

通过对比，天然砂土和透明土在每组含液量下的变化趋势相同。在0%、15%、20%含液量下，每个正应力所对应的剪应力均随含液量的增加而提高。但当含液量达到25%时，两者的剪应力均有所减少，说明含水使颗粒与颗粒之间增加了吸湿力，即基质吸力，这种基质吸力可以增强土的抗剪强度。但是，当含液量增大到一定量时，这种基质吸力有所减少，这是因为过多的水分会减少颗粒与颗粒之间的摩擦，而砂土的抗剪强度主要是由内摩擦角来提供的。在本试验中，基质吸力的临界含液量在20%～25%之间。

2.4.2 颗粒级配的影响。以15%的含液量为例，讨论颗粒级配与剪应力的关系，具体如下。配比①～④含粉砂土和透明土在15%含液量下剪应力与剪切位移的变化如图6 至图9 所示。配比①～④细颗粒含量逐渐增高，分别为20%、25%、30%、35%。以正应力为400 kPa 为例，天然砂土和透明土剪切位移在达到2.5 mm 时剪应力趋于稳定状态。且当剪切位移固定在2.5 mm 时，其剪应力随着细颗粒含量的增加而增大，配比④的剪应力比配比①增加了15.7%。究其原因，随着细颗粒含量增多，使得粗颗粒与粗颗粒之间所形成的孔隙被更好地填充，加大了颗粒间的摩擦力，增加了土体的密实性，使得土体抗剪强度增大。

图6 15%含液量下配比①剪应力与剪切位移变化

图7 15%含液量下配比②剪应力与剪切位移变化

图8 15%含液量下配比③剪应力与剪切位移变化

图9 15%含液量下配比④剪应力与剪切位移变化

3 结论

针对不同配比，在4 种含液量下对比熔融石英砂透明土与天然砂土的岩土力学性质，主要得到以下结论。

对于级配①～⑤：在同一含液量下，随着细颗粒的增加，两者抗剪强度均增强。在15%含水量下，配比④比①抗剪强度增加了15.7%；在相同配比下，两者的抗剪强度均随含液量（0%、15%、20%）的增加而增加。而在25%的含液量下，两者抗剪强度均有所降低，说明熔融石英砂透明土与天然砂土都存在基质吸力，其临界含液量为20%～25%；在相同级配下，熔融石英砂透明土与天然砂土的抗剪强度变化规律接近，可用熔融石英砂透明土替代天然砂土进行模拟。相比于天然砂土，利用熔融石英砂透明土进行潜蚀试验可以从土体内部观测颗粒运移情况，从根本上认识潜蚀发生发展机理，解决传统方法无法观测土体内部的缺陷。