含砾量对土石混合体渗透系数的影响

含砾量对土石混合体渗透系数的影响

土壤和石头混合的一般由骨料、砾石或块石组成。这是地质场所之间的一种特殊的地质体，也是土壤和石头之间的连接体。它们是土壤和石头之间的连接体。土壤和石头之间的渗透和变形特征。它们是土壤力学研究的主要力学特征，在土木工程的各个领域都起着重要作用。土石混合体属于典型的非均质多孔介质。其渗透系数是由高渗透性介质的高渗透性和低渗透性土壤的渗透系数组成的。地板的渗透系数可以通过室内试验和达西理论来确定。然而，土石混合体的渗透系数很难确定。主要原因是，样品很难进行常规的渗透试验。大规模渗透试验不仅成本高，而且精度低，试验结果分散，难以理解。因此，计算开挖石材混合渗透系数的公式具有重要的理论意义和设计应用价值。土石混合体中土与砾石粒径的界限值为5mm,即将粒径小于5mm的颗粒称为土、大于5mm的颗粒称为石,砾石体积分数用P5表示.利用自制常水头渗透仪,研究砾石体积分数P5从0%逐步过渡到100%(间隔10%)时土石混合体渗透系数的变化情况,试图求出土石混合体复合渗透系数计算式.1土石混合渗透性性能试验1.1土样的理化指标及颗粒级配曲线试验所取土样为正在修建的上瑞高速公路贵州段晴隆隧道出口处典型性土石混合体,其天然状态土的物理指标及颗粒级配曲线见表1和图1.由图1可知现场取回土样的不均匀系数Cu为12.31,说明土样中包含的粒径级数较多,粗细粒径差别较大,颗粒级配曲线的曲率系数Cc为1.59,级配优良.1.2自制渗透仪尺寸《土工试验规程》(SL237-1999)规定粗粒土的室内渗透系数需由常水头渗透仪测试,国内常用的常水头渗透仪是70型渗透仪.70型渗透仪的筒身内径为9.44cm,试验材料最大粒径为2cm.规范要求筒身内径应为最大粒径的8～10倍,因此70型渗透仪的筒身内径过小,有必要研制大尺寸渗透仪.自制渗透仪的内径和试样高度至少应为最大颗粒粒径的8倍,即至少应为16cm,另外,考虑边界效应,试样上下两头增加2cm,因此,自制渗透仪的内径和试样高分别取16cm和20cm.考虑到土石混合体的渗透性较强,选取进排水管的口径为2cm.自制大型常水头渗透仪如图2和图3所示.1.3试样装样和测定首先,将由现场取回的土样烘干、过筛,并根据粒径的大小分为0～5mm的土和5～20mm的砾石两部分.然后,按照试验要求的砾石体积分数P5,以10%的初始含水量配制试样,静置24h.试验时,将配制好的试样分层装入圆桶中,每层装料厚度30mm左右,分层压实,记录每层的击实数.按上述步骤逐层装样,至试样顶部高出测压孔约3cm为止.测出装样高度,准确至0.1cm.在试样顶部铺一层2cm厚的细砾石作缓冲层.之后,由进水管注入蒸馏水,直至出水孔有水流出,静置24h使试样充分饱和.用量筒从渗透水出口测定渗透量,同时用温度计测量水温,用秒表测记经一定时间的渗水量,共测读6次,取其平均值,6次结果相差不得超过7%,否则需重新测定.1.4渗透系数的测定结果按照试验设计的各种砾石体积分数P5共需做11组试验,每组试验做平行试验3次,取其平均值,并乘以温度校正系数ηTη20ηΤη20,即得每组试验20℃时的渗透系数,渗透系数的测量结果见表2.2试验结果的分析2.1土石混合体的初始渗透系数随砾石体积分数变化的规律不同含砾量的颗粒级配曲线如图4所示,由图4可以求出各曲线的粒径特征系数及不均匀系数Cu和曲率系数Cc.图5为土石混合体砾石体积分数P5与20℃时的渗透系数关系曲线.从图5中可以看出,随着砾石体积分数的增加,渗透系数急剧增加.因此,在设计中可以通过调节砾石的体积分数来控制土石混合体的宏观渗透性能.从图5中还可发现,土石混合体中砾石体积分数P5与渗透系数k之间存在指数关系,与文献的研究成果相似,即k=k0enP5.(1)式中:k0为P5=0时土的初始渗透系数;n为与土石混合体本身性质相关的常数.对于文中试验值,k0为0.0006cm/s,n=8.82.在工程中可以通过少量试验来确定k0和n值,以此来预测不同级配土石混合体的渗透性.2.2渗透系数的解析法近几十年来,许多学者在揭示影响和决定土的渗透系数内在因素及其相互关系方面做了大量工作,并取得了有益的成果,依然有效且目前常用的确定渗透系数的半经验半理论公式如下.水利水电科学研究院公式:k10=234n3d220202,(2)k20=η10η20k10.k20=η10η20k10.式中:k10,k20分别为温度为10℃和20℃时的渗透系数,cm/s;η10/η20为温度为10℃和20℃时的粘滞系数比;n为孔隙率;d20为等效粒径,mm.泰勒(Taylor)用毛管流的哈根-伯努力(Hange-Poiseuille)方程导出渗透系数的表达式:k=d2s×γwμ×e31+e×C.(3)k=ds2×γwμ×e31+e×C.(3)式中:ds为当量圆球直径,可以用等效粒径d20代替;γw为液体容重;μ为液体粘滞度;e为孔隙比;C为形状系数,通常取C=0.2.式(2)和式(3)均是针对土体的渗透特性提出的半经验半理论公式,然而对于非均质性更强、粒径差别更大的土石混合体来说,其适用性不是很强.土石混合体中砾石形成骨架,细颗粒充填孔隙,其渗透系数是由低渗透介质土体的渗透系数kS和高渗透性介质砾石的渗透系数kG复合而成的.土石混合体复合渗透系数不是体积分数的简单复合,而是高低渗透性介质的耦合.在参考相关文献的基础上,基于幂平均法,本文提出的土石混合体复合渗透系数的表达式为:k复合=[P5(kG)f+(1-P5)(ks)f]1/f.(4)式中:P5为砾石的体积分数,%;kG为砾石的渗透系数,cm/s;kS为土的渗透系数,cm/s;f为系数.砾石的体积分数P5可以由筛分法求出;土的渗透系数kS和砾石的渗透系数kG可以由室内试验直接求出或参考相关资料确定;系数f可以通过少量试验回归分析确定.因此可以说式(4)是一个简明实用的土石混合体复合渗透系数计算公式.为进一步验证式(4),我们将试验测得的k值与用式(2),式(3),式(4)计算得到的k值进行对比分析.结果见图6,具体数值见表3.由图6和表3可知水利水电科学研究院公式和泰勒公式计算值均高于实测值,尤其是当P5≤30%时,式(2)和(3)计算值比实测值大2～3个数量级.而用本文方法得到的土石混合体的渗透系数最接近实测值,平均相对误差仅为0.6%,能够作为土石混合体渗透系数定量预测的有效工具.在工程设计中,可以根据工程对土石混合体渗透性的要求,依据本文提供的经验公式,调整土石混合体中砾石的含量,达到控制土石混合体渗透能力的目的.3土石混合体复合渗透系数的确定方法1)利用自制的常水头渗透仪,测定了不同含砾量时土石混合体渗透系数值,并指出含砾量与土石混合体渗透系数之间存在指数关系.在工程