1.2.4 土体渗流特性的研究现状

1. 宏观领域研究现状

土体中的孔隙水如通过细小而曲折的渗流通道流动会受到很大的黏滞阻力, 导致出现流动缓慢的层流状态 (达西定律)。众多的监测和试验资料表明, 在黏性很大的致密黏土中的渗流往往由于黏土中水与颗粒表面会产生相互作用而偏离达西定律。

许多学者通过试验和理论分析研究达西定律的适用范围, 普遍将达西定律的上限确定为临界雷诺数, 但由于试验所取土样的颗粒形状和排列、孔隙率等参数均有不同, 导致试验结果缺乏明显的分界点, 结论差异较大。一般来说, 临界雷诺数Re的取值为1~10, 通常可取中值5。毛昶熙(2003)认为达西定律有效范围的下限一般指黏土中发生微小流速的渗流,由于细颗粒土表面包裹较厚的结合水膜, 结合水膜的流变特性决定软土的渗流规律。对一般黏土而言, 作用力大于水力坡降时, 渗流才会突破结合水的堵塞而发生, 突破结合水的坡降即为起始坡降。当渗流开始后, 最初有效过水断面的变动导致其不符合达西线性阻力定律, 直到最后渗流断面形成为止, 才符合达西线性变化规律。随着黏性土的含水量减少或密实度增加, 起始坡降不断增加, 最高可达30以上。

长期以来, 学术界就是否存在起始坡降争议不断。董邑宁等 (2000)通过渗透试验表明萧山原状黏土有水压差就有渗流, 加载后土体结构产生变化而存在起始坡降。齐添等 (2007)通过渗流固结试验, 认为在加载条件下萧山黏土的渗流流速与水力坡降两者间呈现非线性的关系, 但不存在起始坡降。渗透系数是研究饱和土及非饱和土渗流的关键参数, 相比饱和土而言, 非饱和土渗透系数的实测要困难许多, 尤其对于低饱和度时的非饱和土, 其土中的水极难排出, 因此直接测试非饱和土的渗透系数是相当困难的。而利用饱和土渗透系数和非饱和土的土水特征曲线, 从理论上间接预测非饱和土的渗透系数, 得到了Childs等 (1950)、Brooks R H等(1964)、Mualem Y (1976)、Agus S S等 (2003)、张雪东等 (2010)、胡冉等 (2013)、蔡国庆等 (2014)众多研究者的认可和应用, 被证实是一种较准确又便捷的方法。

2. 微细观领域的研究现状

从1856年达西渗流试验开始起一个世纪左右, 学者们对淤泥、淤泥质黏土等软土渗流问题的研究主要集中在宏观领域。20世纪60年代后期,中国科学院渗流流体力学研究所率先提出了微观渗流思想, 随之, 非牛顿流体渗流、物理化学渗流、多相渗流方面的探索纷纷展开 (郭尚平等, 1986, 1990; 李登伟等, 2008; 黄延章等, 2001)。众多学者诸如Bear J (1983)、Neuman S P (1990)、Ghilardi P等 (1993)、邹立芝等 (1994)在岩土材料渗流尺度效应研究方面进行了有益的探索, 但总的来看, 其渗流研究的尺度领域仍集中在宏观领域的范畴。

淤泥和淤泥质土等软土主要由极细粒径的黏土胶状物组成, 颗粒粒径为微米级且表面电位有数十至数百毫伏, 同时形成小于十分之几微米的孔隙 (Tanaka H等, 2003)。带电水分子能够定向排列并包裹在细小颗粒表面形成黏度很大的结合水膜, 减小粒间孔隙的等效孔径, 阻止自由水的流动。而结合水膜的厚度可随土颗粒表面电位的改变而改变, 使粒间孔隙的等效孔径发生变化, 从而改变软土的宏观渗流特性。一直以来, 经典流体力学界认为: 固体表面上的流体分子与固体表面的相对运动速度为零, 被称为无滑移边界条件假设, 此假设得到了大量宏观试验的验证, 并得以广泛应用 (吴承伟等, 2008)。然而, 随着微、纳米级观测技术与分析理论的发展, 人们借助原子力显微镜、微颗粒图像测速仪、近场激光速度仪、表面力仪等多种先进测试技术和手段, 发现在许多情况下会发生边界滑移现象 (Craig V S J等, 2001; Joseph P等, 2005; Hervec H等, 2003;Campbel S E等, 1996; Vinogradova O I, 1999; Granick S等, 2003; Neto C等, 2005)。研究表明, 边界滑移在宏观尺度领域不易发生, 但由于淤泥和淤泥质土等极细颗粒土的粒径仅为微米级, 属于微观尺度领域, 此时,颗粒面积为原来的百万分之一, 颗粒体积为原来的十亿分之一, 导致正比于面积的黏性力、摩擦力、表面张力的数值是正比于体积的电磁力和惯性力数值的数千倍, 因此, 在极细颗粒黏土的微孔隙中, 边界滑移可能对土体渗流特性产生重要影响。Churaev N V等 (1984)通过研究发现水和水银在熔凝石英玻璃管中发生边界滑移现象。Cho J H等 (2004)通过试验观测到固-液接触角很小的憎水性固体表面发生了显著的边界滑移现象。Ou J等 (2004)研究发现流体在流经布置有规则憎水性微圆柱或微凸肋的微通道表面时产生了很大的边界滑移, 从而使流体流动的拖曳阻力降至原来的60%左右。王馨等 (2008)针对微纳米间隙下受限液体的边界滑移现象进行试验, 发现当微间隙临界尺度小于6.67×10-3米时, 边界滑移效应对流体动压力有重要作用, 润湿性差的光滑表面的边界滑移长度明显大于润湿性好的表面。由于极细颗粒黏土的孔径可达微米级, 水在微孔隙中流动时, 会产生“滑移边界”等与宏观流动不同的“微尺度效应”现象。现有文献对微尺度效应的研究表明, 当孔隙特征尺寸减小到一定尺度时, 虽然连续介质假设仍能成立, 但原来在宏观流动领域范畴可被忽略的许多因素, 将成为主导微孔渗流的主要因素, 从而出现与宏观流动显著不同的规律; 如孔隙特征尺寸进一步减小到流体粒子平均自由程量级时, 基于连续介质的一些宏观概念、假设、规律将不再适用, 需要在微观领域重新讨论黏性系数等概念。上述就边界滑移现象的探索为极细颗粒黏土等介质的微细观渗流研究提供了一种新思路, 也是今后流体力学发展的新方向之一 (钟映春等, 2001; Stemme G等, 1990; 过增元, 2000; Kassner M E, 2005)。

何莹松 (2013)利用格子Boltzmann方法, 分别从宏观和微观两个角度研究多孔介质中的流体渗流问题。证明格子Boltzmann方法在宏观上可以成功模拟工程上的大尺度渗流问题。在微观尺度上, 证明格子Boltzmann方法及反弹边界处理格式可以有效模拟微尺度渗流问题, 得到了多孔介质中流体的压力分布和流线图。申林方等 (2014)根据土体的孔隙率, 采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构, 基于格子Boltzmann方法, 通过设置左、右边界及土颗粒边界为标准反弹格式, 出、入口边界为非平衡态外推格式的边界条件, 建立起模拟饱和土体渗流的二维模型, 为进一步研究土体微观渗流机理提供了新的有效手段。