含礫量對土石混合體滲透系數(shù)的影響

含礫量對土石混合體滲透系數(shù)的影響

土壤和石頭混合的一般由骨料、礫石或塊石組成。這是地質(zhì)場所之間的一種特殊的地質(zhì)體，也是土壤和石頭之間的連接體。它們是土壤和石頭之間的連接體。土壤和石頭之間的滲透和變形特征。它們是土壤力學(xué)研究的主要力學(xué)特征，在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域都起著重要作用。土石混合體屬于典型的非均質(zhì)多孔介質(zhì)。其滲透系數(shù)是由高滲透性介質(zhì)的高滲透性和低滲透性土壤的滲透系數(shù)組成的。地板的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)試驗(yàn)和達(dá)西理論來確定。然而，土石混合體的滲透系數(shù)很難確定。主要原因是，樣品很難進(jìn)行常規(guī)的滲透試驗(yàn)。大規(guī)模滲透試驗(yàn)不僅成本高，而且精度低，試驗(yàn)結(jié)果分散，難以理解。因此，計(jì)算開挖石材混合滲透系數(shù)的公式具有重要的理論意義和設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值。土石混合體中土與礫石粒徑的界限值為5mm,即將粒徑小于5mm的顆粒稱為土、大于5mm的顆粒稱為石,礫石體積分?jǐn)?shù)用P5表示.利用自制常水頭滲透儀,研究礫石體積分?jǐn)?shù)P5從0%逐步過渡到100%(間隔10%)時(shí)土石混合體滲透系數(shù)的變化情況,試圖求出土石混合體復(fù)合滲透系數(shù)計(jì)算式.1土石混合滲透性性能試驗(yàn)1.1土樣的理化指標(biāo)及顆粒級(jí)配曲線試驗(yàn)所取土樣為正在修建的上瑞高速公路貴州段晴隆隧道出口處典型性土石混合體,其天然狀態(tài)土的物理指標(biāo)及顆粒級(jí)配曲線見表1和圖1.由圖1可知現(xiàn)場取回土樣的不均勻系數(shù)Cu為12.31,說明土樣中包含的粒徑級(jí)數(shù)較多,粗細(xì)粒徑差別較大,顆粒級(jí)配曲線的曲率系數(shù)Cc為1.59,級(jí)配優(yōu)良.1.2自制滲透儀尺寸《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)規(guī)定粗粒土的室內(nèi)滲透系數(shù)需由常水頭滲透儀測試,國內(nèi)常用的常水頭滲透儀是70型滲透儀.70型滲透儀的筒身內(nèi)徑為9.44cm,試驗(yàn)材料最大粒徑為2cm.規(guī)范要求筒身內(nèi)徑應(yīng)為最大粒徑的8～10倍,因此70型滲透儀的筒身內(nèi)徑過小,有必要研制大尺寸滲透儀.自制滲透儀的內(nèi)徑和試樣高度至少應(yīng)為最大顆粒粒徑的8倍,即至少應(yīng)為16cm,另外,考慮邊界效應(yīng),試樣上下兩頭增加2cm,因此,自制滲透儀的內(nèi)徑和試樣高分別取16cm和20cm.考慮到土石混合體的滲透性較強(qiáng),選取進(jìn)排水管的口徑為2cm.自制大型常水頭滲透儀如圖2和圖3所示.1.3試樣裝樣和測定首先,將由現(xiàn)場取回的土樣烘干、過篩,并根據(jù)粒徑的大小分為0～5mm的土和5～20mm的礫石兩部分.然后,按照試驗(yàn)要求的礫石體積分?jǐn)?shù)P5,以10%的初始含水量配制試樣,靜置24h.試驗(yàn)時(shí),將配制好的試樣分層裝入圓桶中,每層裝料厚度30mm左右,分層壓實(shí),記錄每層的擊實(shí)數(shù).按上述步驟逐層裝樣,至試樣頂部高出測壓孔約3cm為止.測出裝樣高度,準(zhǔn)確至0.1cm.在試樣頂部鋪一層2cm厚的細(xì)礫石作緩沖層.之后,由進(jìn)水管注入蒸餾水,直至出水孔有水流出,靜置24h使試樣充分飽和.用量筒從滲透水出口測定滲透量,同時(shí)用溫度計(jì)測量水溫,用秒表測記經(jīng)一定時(shí)間的滲水量,共測讀6次,取其平均值,6次結(jié)果相差不得超過7%,否則需重新測定.1.4滲透系數(shù)的測定結(jié)果按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各種礫石體積分?jǐn)?shù)P5共需做11組試驗(yàn),每組試驗(yàn)做平行試驗(yàn)3次,取其平均值,并乘以溫度校正系數(shù)ηTη20ηΤη20,即得每組試驗(yàn)20℃時(shí)的滲透系數(shù),滲透系數(shù)的測量結(jié)果見表2.2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1土石混合體的初始滲透系數(shù)隨礫石體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律不同含礫量的顆粒級(jí)配曲線如圖4所示,由圖4可以求出各曲線的粒徑特征系數(shù)及不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc.圖5為土石混合體礫石體積分?jǐn)?shù)P5與20℃時(shí)的滲透系數(shù)關(guān)系曲線.從圖5中可以看出,隨著礫石體積分?jǐn)?shù)的增加,滲透系數(shù)急劇增加.因此,在設(shè)計(jì)中可以通過調(diào)節(jié)礫石的體積分?jǐn)?shù)來控制土石混合體的宏觀滲透性能.從圖5中還可發(fā)現(xiàn),土石混合體中礫石體積分?jǐn)?shù)P5與滲透系數(shù)k之間存在指數(shù)關(guān)系,與文獻(xiàn)的研究成果相似,即k=k0enP5.(1)式中:k0為P5=0時(shí)土的初始滲透系數(shù);n為與土石混合體本身性質(zhì)相關(guān)的常數(shù).對于文中試驗(yàn)值,k0為0.0006cm/s,n=8.82.在工程中可以通過少量試驗(yàn)來確定k0和n值,以此來預(yù)測不同級(jí)配土石混合體的滲透性.2.2滲透系數(shù)的解析法近幾十年來,許多學(xué)者在揭示影響和決定土的滲透系數(shù)內(nèi)在因素及其相互關(guān)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確定滲透系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式如下.水利水電科學(xué)研究院公式:k10=234n3d220202,(2)k20=η10η20k10.k20=η10η20k10.式中:k10,k20分別為溫度為10℃和20℃時(shí)的滲透系數(shù),cm/s;η10/η20為溫度為10℃和20℃時(shí)的粘滯系數(shù)比;n為孔隙率;d20為等效粒徑,mm.泰勒(Taylor)用毛管流的哈根-伯努力(Hange-Poiseuille)方程導(dǎo)出滲透系數(shù)的表達(dá)式:k=d2s×γwμ×e31+e×C.(3)k=ds2×γwμ×e31+e×C.(3)式中:ds為當(dāng)量圓球直徑,可以用等效粒徑d20代替;γw為液體容重;μ為液體粘滯度;e為孔隙比;C為形狀系數(shù),通常取C=0.2.式(2)和式(3)均是針對土體的滲透特性提出的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式,然而對于非均質(zhì)性更強(qiáng)、粒徑差別更大的土石混合體來說,其適用性不是很強(qiáng).土石混合體中礫石形成骨架,細(xì)顆粒充填孔隙,其滲透系數(shù)是由低滲透介質(zhì)土體的滲透系數(shù)kS和高滲透性介質(zhì)礫石的滲透系數(shù)kG復(fù)合而成的.土石混合體復(fù)合滲透系數(shù)不是體積分?jǐn)?shù)的簡單復(fù)合,而是高低滲透性介質(zhì)的耦合.在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,基于冪平均法,本文提出的土石混合體復(fù)合滲透系數(shù)的表達(dá)式為:k復(fù)合=[P5(kG)f+(1-P5)(ks)f]1/f.(4)式中:P5為礫石的體積分?jǐn)?shù),%;kG為礫石的滲透系數(shù),cm/s;kS為土的滲透系數(shù),cm/s;f為系數(shù).礫石的體積分?jǐn)?shù)P5可以由篩分法求出;土的滲透系數(shù)kS和礫石的滲透系數(shù)kG可以由室內(nèi)試驗(yàn)直接求出或參考相關(guān)資料確定;系數(shù)f可以通過少量試驗(yàn)回歸分析確定.因此可以說式(4)是一個(gè)簡明實(shí)用的土石混合體復(fù)合滲透系數(shù)計(jì)算公式.為進(jìn)一步驗(yàn)證式(4),我們將試驗(yàn)測得的k值與用式(2),式(3),式(4)計(jì)算得到的k值進(jìn)行對比分析.結(jié)果見圖6,具體數(shù)值見表3.由圖6和表3可知水利水電科學(xué)研究院公式和泰勒公式計(jì)算值均高于實(shí)測值,尤其是當(dāng)P5≤30%時(shí),式(2)和(3)計(jì)算值比實(shí)測值大2～3個(gè)數(shù)量級(jí).而用本文方法得到的土石混合體的滲透系數(shù)最接近實(shí)測值,平均相對誤差僅為0.6%,能夠作為土石混合體滲透系數(shù)定量預(yù)測的有效工具.在工程設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)工程對土石混合體滲透性的要求,依據(jù)本文提供的經(jīng)驗(yàn)公式,調(diào)整土石混合體中礫石的含量,達(dá)到控制土石混合體滲透能力的目的.3土石混合體復(fù)合滲透系數(shù)的確定方法1)利用自制的常水頭滲透儀,測定了不同含礫量時(shí)土石混合體滲透系數(shù)值,并指出含礫量與土石混合體滲透系數(shù)之間存在指數(shù)關(guān)系.在工程