土體滲流問題模擬裝置的研發及實驗教學應用

孫文靜, 劉 珂, 陳 超, 張孟喜

(上海大學 土木工程系，上海 200444)

0 引 言

土力學是土木工程的主干專業基礎課程，土力學實驗是土力學課程教學中必不可少的實踐性教學環節[1-2]。通過實驗以及動手操作，學生可以更深刻地理解和驗證土力學基本概念和原理，同時能培養學生的動手及解決實際問題的能力。土的滲透性是土力學的三大研究內容之一，是“土力學”本科教學的重要內容，也是難點之一[3-4]。

土體中孔隙的形狀和大小是極不規則的，因而水在土體孔隙中的滲透性是一種十分復雜的水流現象[5]。水在土中的滲透速度與試樣兩端面間的水頭差成正比，而與滲徑長度成反比[6-7]。

水流在滲流場內的運動通常用流網表示。流網是在滲流場內由流線和等勢線正交組成的網格狀曲線簇。流線是指水沿水頭(水位)降低方向運動的軌跡線，在穩定流中軌跡上任一點的切線與此點的流動方向相重合。等勢線是測管水頭相同的點之連線。在各向同性介質中，等勢線是與流線相互正交的等水位線[8]。流線軌跡上任一點可以反映水在滲流場中的運動方向以及流動速度，流線愈密集，表明該處的水力坡降愈大，滲透速度也愈大；流線愈稀疏，則水力坡降愈小，流速也愈小。滲流網較密處水力梯度較大，該處滲透力也大；不同位置的滲透力對土體穩定性的影響不同[9]。目前，人們通常用解析法、數值法和電模擬法來繪制流網[10]，但是這些方法比較復雜，不能在試驗中進行形象的模擬。

近年來，土力學典型問題的可視化已經逐漸引起了國內外學者的重點關注。林偉岸等[11]以土體的主動、被動破壞為例，闡述了教學演示儀器的研制與實踐過程。沈揚等[12]自主研發了用以反映裂縫、沉陷等現象的可視化演示模型試驗系統；李光范等[13]結合太沙基一維固結理論和排水、固結過程，制作出有關太沙基一維固結理論的教學課件。可視化技術被引入到實驗教學及科研中，在一定程度上改變了傳統的教學模式，可以比較直觀、形象地演示土力學的部分現象，有利于激發學生對土力學的學習興趣并深入理解相關概念。

土工建筑物及地基由于滲流作用而出現的變形或破壞稱為滲透變形(滲透破壞)，表現出的基本類型有流土現象、管涌現象[14]。其中，流土現象是在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發生懸浮移動的現象[15]。只要滲透力足夠大，可發生在任何土中，破壞過程短，可導致下游坡面產生局部滑動。管涌現象為一定級配的無黏性土中的細小顆粒，在滲流作用下，通過較大顆粒間的孔隙發生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道[16]。管涌的產生主要是因為有足夠多的粗顆粒形成大于細顆粒尺寸的孔隙通道以及足夠大的滲透力。通常發生在特定級配的無黏性土或分散性黏土。破壞過程相對較長，可導致結構發生塌陷或潰口。

為配合本科生“土力學”教學，深化拓展“土力學”實驗教學內容，作者研發了一套“土體滲流模型裝置”，可以向學生形象地展現滲流過程中土體中的流網，通過調節滲流水頭差，還可觀察到流土、管涌等一系列實際工程破壞現象。同時，在滲流實驗教學過程中，還可以創造性地開展多種工況下的滲流試驗[17]，如改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標，分析相關參數對試驗結果的影響。讓學生在創新性實驗教學過程中加深對土體滲流的理解與掌握。

1 土體滲流模型裝置的主要功能及組成

土體滲流模型試驗裝置實物圖如圖1(a)所示，示意圖如圖1(b)所示。該模型裝置包括安裝有可移動隔板的雙室有機玻璃容器和移動進排水裝置。

(a) 實物圖

(b) 示意圖

雙室有機玻璃容器中設有活動隔板，隔板與雙室有機玻璃容器側面結合處設有套槽，隔板在套槽中可移動，用于調節滲徑長度。套槽內附有一層海綿墊，使隔板和套槽緊密結合在一起，起到密封效果。雙室有機玻璃容器正面容器壁中間和隔板結合處，標有長度為450mm的毫米級刻度，底部為刻度起點。

雙室有機玻璃容器右側面上端有一個進水孔，下端有一排水孔，對外連接一個體變管，隔板右測的容器底部中心位置設有一個排水孔，排水孔與容器壁的內壁交接處貼有濾砂層。

雙室有機玻璃容器左右兩側分別設有兩套移動排水裝置，用于調節左右兩室的水頭差。該移動排水裝置由材質為彈簧鋼的鋼片(表面包裹一層塑膠膜)，置于上下兩端的鋼片盒和排水孔組合而成，排水孔與鋼片間空隙用硅膠密封，鋼片可以卷進鋼片盒里。雙室有機玻璃容器左、右側壁中間位置分別開有寬度為20 mm的豎向開口，側壁外側設有套槽，套槽內附有海綿墊增加密封性。鋼片固定在套槽內，通過旋轉鋼片盒上的旋桿可調節排水孔的位置。

使用該儀器不僅可以進行滲流場流網模擬試驗，觀察土體滲透變形，流土、管涌等現象，還可測量土的滲透系數，以及量測不同土體水力坡降和滲流速度的關系。

2 土體滲流模型裝置的應用

2.1 滲流網中流線觀測

圖2為流網的示意圖，帶箭頭的實線為流線，與其正交的虛線為等勢線。進行流線觀測試驗時，把雙室有機玻璃容器中間隔板調到合適的位置，在雙室有機玻璃容器左右兩側放置適量的砂土。關閉底部排水孔的閥門及右側排水閥門，將左側排水孔調到土樣頂部位置并打開左側排水閥門，打開右側進水閥門使水位始終保持不變。在右側土樣的上表面與儀器正面壁的交接線處，等間距地用針管注入紅色液體，觀察水在滲流場中的滲流現象及流線圖，如圖3所示。

圖2 流網示意圖[14]

2.2 土的滲透變形試驗觀測

觀察土的滲透變形試驗時，對于流土現象：按2.1節的步驟調節有機玻璃容器中間隔板、調節兩側排水孔高度、關閉底部排水孔閥門，分別向雙室有機玻璃容器左右兩側放置適量的流土型土(右側土的高度高于左側)，在兩側土的上部附一層粗骨料，打開進水孔，觀察流土現象，當剛開始發生流土時，將右側移動排水孔調整到右側水位位置，當發生嚴重流土現象時，將左側排水孔調到左側水位線位置。將觀察流土現象時使用的流土型土，換成顆粒粒徑相差較大的不均勻砂土，可以觀察土的管涌現象。把上部的粗骨料換成黏土，還可以觀察突涌現象。

2.3 土體滲透系數量測

測量土的滲透系數時，需把中間檔板下移到儀器最底部，把移動排水孔調到與進水孔齊平的位置，關閉底部排水孔的閥門，打開體變管的閥門，向隔板右側容器放入土，打開進水孔和移動排水孔。當水位到達排水孔位置并穩定時，打開底部排水孔，用量杯測量一段時間內的滲水量，并用秒表計時。

2.4 改變滲流影響因素在模型試驗中的應用

重復2.2的試驗步驟，調節移動排水孔，改變水力坡降，待水位線穩定時，開始計時，并測量此段時間的透水量，得到不同水力坡降與滲流速度的關系[18]。改變土體類型，重新進行試驗，比較不同土體類型水力坡降與滲流速度的關系。

以上試驗方案具有一定的綜合性，以提高學生的綜合性實驗能力為目的。而且，又具有設計、創新性，讓學生在實驗方案的設計、儀器設備的選擇、實驗條件的確定等方面受到良好的訓練。同時，讓學生可以更加直觀地觀測一些實際工程中發現的滲流變形現象，更好地掌握滲流理論。

3 實例分析

3.1 滲流網中流線及管涌、流土現象觀測試驗

圖3為利用研發的滲流模型試驗裝置記錄下的砂土滲流全過程，可以清晰地觀察到滲流場流線，同時，可以觀察到土體中的細顆粒沿著土體骨架顆粒間的孔道移動或被帶出土體，即管涌現象的發生。1～6 s時沒有觀察到土體發生明顯變化，只是在細部發現細顆粒沿粗顆粒骨架運移的現象。從第7 s開始，隨著滲流坡降繼續增大，管涌現象越來越明顯，第12 s時發生突涌、流土破壞，土體破壞，滲流模擬試驗結束。另外，將左側土體上部放置一層黏粒含量較多的土體進行滲流試驗，還可以觀測到滲流過程中黏土層被整體抬升，最終在薄弱點發生突涌現象。

通過該滲流模型試驗，學生可以非常直觀地觀察到滲流網中的流線以及工程中所遇到的管涌、流土、突涌現象，加深對土體滲流問題的理解與掌握。同時，在滲流實驗教學過程中，改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標，開展更多實驗工況下的滲透試驗，引導學生們的創新思維，讓土力學的實驗教學更有趣味性。

3.2 土體滲透系數的量測

利用研發的滲流模型試驗裝置量測摻有少許黏粒砂土的滲透系數。試驗所用黏土和砂土的物理指標如下：砂土比重Gs=2.65，平均粒徑D50=0.34 mm，不均勻系數Cu=1.97，最大干密度ρdmax=0.96，最小干密度ρdmin=0.73，壓縮指數Cc=0.08；黏土比重GS=2.72，液限wL=125%，塑限wp=30%，塑性指數IP=95。將黏土與砂土分別按干質量比為30∶70、20∶80的兩種配合比混合，試驗采用去離子水。根據預設干密度、含水率配制所需土樣，將其放入滲流模型箱的右側，按上述2.3節的試驗步驟進行滲透系數測定試驗。

圖4為整理得到的黏土含量為20%和30%的兩種混合砂土的孔隙比與滲透系數在雙對數坐標下的關系曲線。可以看出，在同一摻砂率下，隨著孔隙比的增大，滲透系數也會隨之增大。相同孔隙比下，滲透系數隨著摻砂率的增大而增大。同時，對摻砂率α為70%，初始孔隙比為0.58的試樣用變水頭的方法進行滲透系數的測試[19]，測試結果為2×10-8cm/s，圖中用“◇”標出。可以得出，用滲流模型試驗裝置所測得的滲透系數與變水頭方法測得的結果相近，這也證明了使用該滲流模型試驗裝置測試土體滲透系數的可行性。

圖4 含黏性砂土的滲透系數隨孔隙比的變化規律

4 結 語

本文研發了一種可調節水頭的滲流模型試驗裝置。該模型裝置可以進行滲流場流網模擬試驗；通過調節滲流水頭差，可以觀測土體滲透變形，如流土、管涌及突涌等一系列工程破壞現象；還可測量土的滲透系數，并得到不同土體水力坡降和滲流速度的關系；通過改變孔隙比、滲徑長度、土的顆粒級配等物理指標，還可以開展多種試驗工況下的滲流試驗，分析相關參數對試驗結果的影響，引導學生們的創新思維，讓“土力學”的實驗教學更有趣味性，寓教于樂，讓學生有樂趣去吸取知識。

該滲流模型試驗是對“土力學”教學的有益補充，目前，該試驗裝置已在上海大學“土力學”實驗教學中得到了成功應用，依托于該裝置的實驗教學改變了以往單一的、以驗證性實驗項目為主的傳統巖土實驗教學模式，構建了綜合性、設計性、創新性的“三性”巖土實驗教學新途徑。

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