利用透明土演示毛细水上升实验

　　【摘 要】由于自然土体的不透明性，给学生们学习土力学、了解土力学某些物理性状带来了不便。我们选用技术已经成熟的透明土，利用其透明性，演示了毛细水上升实验。整个实验过程，操作简单，且实验效果明显。

　　【关键词】透明土；毛细水上升；模型实验

　　0 引言

　　作为学习工科的学子，我们充分意识到教学演示装置于我们理论学习，实践探讨的重要性，而在学习土力学课程时，泥土的不透明性给我们对于其内部的“毛细水上升”现象与性质的理解都带来了很大的困难。

　　因而我们需要一种人工合成透明土（以下简称透明土），其岩土力学特性与天然土体的特性相近，故能够代替自然土体，同时能够展示土体内部变形。目前关于透明土的研究已经很成熟，国内外学者通过对透明土的室内试验研究表明：透明土具备砂土和黏土的岩土特性，可替代天然土体以用于模型试验，但仍需注意大规模透明土试验中透明土透明性弱化问题等[1]。

　　1 透明土的配制

　　经过对参考文献的阅读[2]，我们了解到了透明土的配制方法。

　　我们先配出级配良好的熔融石英砂，再将正十二烷和石蜡油1：1混合（出于安全考虑而没有选用有毒的溴化钙溶液），然后在混合液体中撒落熔融石英砂，边撒落边用玻璃棒搅拌，再避光放置一小时，必要时进行排气处理，并对其物理性状进行了判定。

　　图 1 透明土试样

　　2 简易实验装置

　　我们根据透明土的特性和毛细水现象的特征，自行建立了简易的实验装置，该模型分为柱形管、支撑架、烧杯三部分：

　　图 2 实验装置

　　1）支撑架将柱形管悬于烧杯内部，方便烧杯中的自由水进入管中，起到模拟地下水的效果。烧杯中倒满适量的自来水，为方便观察，我们再在里面滴入适量的红墨水。

　　2）柱形管是用来装载透明土的容器，该装置由四部分组成：木塞、圆管、胶带、纱布层。

　　下面我们简述下柱形管的构造：

　　（1）考虑到毛细水上升高度、毛细孔的大小，我们选取圆管的规格为30cm×Φ5cm；

　　（2）对医用口罩进行裁剪，取出其中的纱布层，将其折叠使其大小适合包住圆管的口径；

　　（3）将纱布包住圆管末端，使其和圆管末端的胶带相黏结；

　　（4）将纱布层初步固定好后，再在其外围用大胶布进行最后的固定，确保透明土不会因重力掉入烧杯中；

　　（5）将固结过的透明土缓慢装入圆管中，大概至■的位置；

　　（6）由于透明土中含有较多的有机物，为防止挥发，需要用木塞将管口塞住；

　　（7）按照上面的过程，再过三个同样的柱形管做对比试验。

　　图 3 柱形管

　　3 进行试验

　　做好了前期准备，接下来需要对其进行试验检验：

　　我们配制出通透性良好的透明土，对透明土进行固结，滤掉多余的有机物成分后将透明土缓慢填入柱形管中，使其中的空隙尽可能的少（使毛细管足够细），固定装置，在烧杯中注入水，并静置一段时间。

　　图 4

　　大概一个小时过后，实验装置已经有了10cm的毛细水上升高度，而一旁级配不好的透明土中尚无明显现象。

　　4 总结

　　利用透明土可以方便的演示土力学中的常见现象（例如毛细水上升、管涌现象），不仅方便初学者学习土力学，也给土力学研究人员带来了方便。目前透明土研究还存在大模型透明土试验中透明土的透明性弱化问题和透明土的干化、硬化问题，本实验的装置小巧以及实验所需时间短，很好的避免了这两个问题。

　　在文献[1]中，提到了“透明土的岩土特性和其在岩土工程模型试验中的应用目前国内研究很少”，本文中也仅利用透（下转第133页）（上接第112页）明土定性的进行了一个模拟实验，在后续的研究过程中，我们还将进行一系列的实验来定量的研究密实度、含水量、级配和毛细水上升高度的关系[3]。

　　【参考文献】

　　[1]陈永辉，齐昌广，王新泉，陈龙.透明土及其在岩土工程模型试验中的应用研究进展[J].水利水电科技进展，2011，12.

　　[2]吴明喜.人工合成透明砂土及其三轴试验研究[D].大连理工大学，2006.

　　[3]李自祥，杨成斌，杨阳.盐渍水中毛细水上升高度研究[D].合肥工业大学，2012，3.

　　[责任编辑：刘帅]