CN104297127A - 基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，包括以下步骤：首先，获取测试土样，并通过试验获得土样的初始孔隙比e0；其次，制作试样，并对制出的试样进行饱和处理；接着对试样进行分级降压渗流三轴固结试验，并记录试验过程中试样的孔压和体积变化值；然后处理记录的试验数据，并计算分级降压过程中的渗透系数和孔隙比；最后确定渗透系数与孔隙比的关系。本发明采用三轴固结仪对土体试样进行分级降压渗流试验，并通过试验过程中试样的孔压和体积变化值计算出每一次分级降压试验中的渗透系数和孔隙比，最终确定渗透系数与孔隙比的关系，原理简单，操作方便，准确可靠，可以快速测定渗透系数的变化规律。

Description

基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法。

背景技术

土的渗透性指水流通过土中孔隙难易程度的性质。渗透系数是衡量土体渗透性的一项重要物理指标，它是土体渗流、固结、降水等分析计算中必须的基本参数，包括考虑固结的基础沉降计算、堤坝的渗流分析和基础的降水计算等。

目前关于渗透系数的测试方法通常有常水头法、变水头法和孔压静力触探测渗透系数法等。《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999，pp.79-82)中介绍了基于长水头和变水头的渗透系数测试方法。2014年符二东在《山西建筑》(2014，No.02，pp.68-69)中发表的“变水头法测定渗透系数试验方法分析及探讨”一文对变水头法测渗透系数的方法进行了探讨，研究影响其测试精确度的因素。公开号为CN103061320A的中国专利公开了一种基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法，通过孔压静力触探报告确定现场土层划分和相关参数，同时根据密度试验得到现场土的重度，从而确定孔压静力触探的标准参数和渗透系数指数，根据土层划分确定土层分布系数，最终确定土体的渗透系数。

采用上述方法虽然都能测得土壤的渗透系数，但都只能测定固定的渗透系数值。而实际上渗透系数会在土层受力变形过程中发生变化，主要表现为随孔隙比的变化而变化，但目前针对渗透系数变化的测试方法很少。

经对现有技术文献的检索发现，2005年陈勇在《海洋湖沼通报》(2005,No.04，pp.15-22)中发表的“黄河沉积粉土渗透系数变化研究”一文对黄河沉积粉土进行了模拟加载渗透实验，研究了固结压力、渗透压力对黄河三角洲粉质土渗透系数的影响，并获得了一定的规律。2012年曾玲玲在《岩土力学》(2012,No.05，pp.1286-1292)中发表的“压缩过程中重塑黏土渗透系数的变化规律”一文对重塑粘土的渗透系数的变化规律进行了研究，指出渗透系数与应变的关系。但是以上文献都没有明确指出用于测试渗透系数变化的方法，因此提出一种可以快速测定渗透系数变化规律，并获取整个变化过程的数据进行全面测定的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种可以快速测定渗透系数变化规律，并获取整个变化过程的数据进行全面测定的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，包括以下步骤：

S1：获取测试土样，并通过试验获得土样的初始孔隙比e0；

S2：制作试样，根据三轴固结仪确定试样尺寸，选取土样中心扰动较小的区域进行制作，并对制出的试样进行饱和处理；

S3：对试样进行三轴固结试验，采用分级降压渗流试验方法，先升高围压和背压达到试验设计值，待孔压稳定后开始逐级降低背压进行渗流固结试验，并记录试验过程中试样孔压和体积变化值，其中，围压是指三轴固结仪压力室内的压力，即试样的总压力；背压是指试样上表面的孔隙水压力；孔压是指试样下表面的孔隙水压力；

S4：处理记录的试验数据，并计算分级降压过程中的渗透系数和孔隙比；

S5：确定渗透系数与孔隙比的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系。

进一步的，所述第一步中获取测试土样是指：采用扰动较小的薄壁取土法，在指定区域取得土样，并进行封存后用于做室内试验。

进一步的，所述步骤S1中，获得土样的初始孔隙比e₀是指：通过环刀法求得土的重度r_s，用烘干法求出土的含水率w，并利用公式求得初始孔隙比，其中r_w为水的重度。

进一步的，所述步骤S2中，所述三轴固结仪具有控制土体试样孔压大小、测量孔压和体积变化的功能。

进一步的，所述步骤S2中，饱和处理是指：采用浸水饱和法处理试样，使其饱和度达到99％以上。

进一步的，所述步骤S3中，所述三轴固结试验包括以下步骤：

S31:将所述围压升至一个试验设计值，同时将所述背压升至比围压小10kPa以防止试样内孔隙水压力大于围压而导致试样破坏，观测孔压变化情况；

S32:待孔压稳定并等于背压值，进行分级降压渗流试验，首先设定背压每一级的降压值；接着开始第一级降压渗流试验，使试样排水固结，观测孔压变化情况，间隔获取试样的孔压和体积变化值；

S33：待上一级降压渗流试验的孔压稳定并等于该级背压值后，进行下一级降压渗流试验，间隔获取试样的孔压和体积变化值；

S34：重复步骤S33，直到背压降至预先设定值，且孔压达到稳定值，此时完成所有分级降压渗流试验。

进一步的，所述步骤S32中，所述背压每一级降压值不小于50kPa，所述分级降压渗流试验分级的次数不少于3次，

进一步的，所述S32或S33中，获取试样孔压值和体积变化值的时间间隔为30-120s。

进一步的，所述步骤S4中，所述分级降压过程中渗透系数和孔隙比的计算方法为：

第i次分级降压过程中的渗透系数k_i采用变水头渗流计算公式进行计算，其中P_1i为第i次分级降压过程中的起始孔压；P_2i为第i次分级降压过程中的中值孔压，即起始孔压与稳定时孔压的平均值；P_bi为第i次分级降压过程中的背压值，由于稳定时孔压等于背压，因此P_2i＝(P_1i+P_bi)/2；△t_i为孔压从P_1i下降到P_2i的时间间隔；△V_i是△t_i时间内试样的体积变化值；L和A分别为试样的高度与截面积；r_w为水的重度；

第i次分级降压过程中的孔隙比e_i利用公式进行计算，其中e_i-1第i次分级降压过程中的起始时刻孔隙比；V_i为第i次分级降压过程试样的初始体积；△V_i是第i次分级降压过程中△t_i时间内试样的体积变化值。

进一步的，所述步骤S5中绘制关系曲线是指：根据第i次分级降压过程中的渗透系数k_i和起始时刻孔隙比e_i-1，绘制关系曲线e-lgk，并得到渗透系数与孔隙比的关系表达式:lgk＝ae-b，其中a和b是回归分析得到的拟合系数。

本发明提供的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，采用三轴固结仪对土体试样进行分级降压渗流试验，并通过试验过程中试样的孔压和体积变化值计算出每一次分级降压试验中的渗透系数和孔隙比，最终确定渗透系数与孔隙比的关系，本发明原理简单，操作方便，准确可靠，可以快速测定渗透系数的变化规律，以及获取整个变化过程的数据进行全面测定。

附图说明

图1是本发明基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法流程图；

图2是本发明渗透系数与孔隙比的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图1所示，本发明提供一种基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，包括以下步骤：

S1：获取测试土样：采用扰动较小的薄壁取土法，在指定区域取得土样，进行封存后用于做室内试验，并通过试验获得土样的初始孔隙比e₀。具体的，通过环刀法求得土的重度r_s，用烘干法求出土的含水率w，并利用公式求得初始孔隙比，其中r_w为水的重度；

S2：制作试样：首先，选取土样中心扰动较小的区域进行制作，并根据三轴固结仪确定试样尺寸，其中三轴固结仪具有控制土体试样孔压大小、测量孔压和体积变化的功能；接着，采用浸水饱和法处理上述试样，使其饱和度达到99％以上。需要说明的是，最终制得的试样包括由下而上分布的第一透水石层、土样层、第二透水石层和上排水盖，以及包覆在第一透水石层、土样层、第二透水石层和上排水盖外层的乳胶膜。

S3：对试样进行三轴固结试验，即采用分级降压渗流试验方法对试样进行三轴固结试验，先升高围压和背压达到试验设计值，待孔压稳定后开始逐级降低背压进行渗流固结试验，并记录试验过程中试样孔压和体积变化值。具体的，围压是指三轴固结仪压力室内的压力，即试样的总压力；背压是指试样上表面的孔隙水压力；孔压是指试样下表面的孔隙水压力。由于围压和背压可调，孔压会随着背压的变化而变化，最终与背压相等，因此通过调整围压和背压，可以调节孔压的大小。因此，步骤S3包括以下步骤：

S31:将试样的围压升至试验设计值，同时调节背压，使其比围压小10kPa，以防止试样内孔隙水压力大于围压而导致试样破坏，观测孔压变化情况，本实施例中，为了更快地稳定孔压，将围压和背压的升压过程分多次进行，以两次升压为例：

若围压的试验设计值为400kPa，则可以先将围压升至200kPa，同时将背压升至190kPa，等待孔压稳定后，再将围压升至400kPa，将背压升至390kPa，等待孔压稳定后开始正式进行试验。

S32:待孔压稳定并等于背压值之后进行分级降压渗流试验，首先设定背压每一级的降压值，需要说明的是，每一级背压的降压值不小于50kPa，分级降压渗流试验中分级的次数不少于3次，本实施例中级数为3，并设定第一、二级的背压降压值为50kPa，第三级的背压降压值为90kPa。开始第一级降压渗流试验，将背压降至340kPa。使试样排水固结，观测孔压变化情况，并在试验过程中每隔时间30-120s对试样的孔压和体积变化值进行采集。

S33：待上一级降压渗流试验的孔压稳定并等于该级背压值后，进行下一级(即第二级)降压渗流试验，将背压继续降至290kPa，每隔时间30-120s获取试样的孔压和体积变化值；

S34：重复步骤S33，待上一级孔压稳定后，将背压降至200kPa，此时背压已经降至预先设定值，且孔压达到稳定值，此时完成所有分级降压渗流试验；

S4：处理记录的试验数据，并计算分级降压过程中的渗透系数和孔隙比，具体方法为：

第i次分级降压过程中的渗透系数k_i采用变水头渗流法进行计算的公式为：

$k_i=\frac{r_w.L.{\mathrm{\ΔV}}_i}{A.(P_{1i}-P_{2i}){.\mathrm{\Δt}}_i}\ln \frac{P_{1i}-P_{\mathrm{bi}}}{P_{2i}-P_{\mathrm{bi}}}$

其中P_1i为第i次分级降压过程中的起始孔压；P_2i为第i次分级降压过程中的中值孔压，即起始孔压与稳定时孔压的平均值；P_bi为第i次分级降压过程中的背压值；由于稳定时孔压等于背压，因此P_2i＝(P_1i+P_bi)/2，△t_i为孔压从P_1i下降到P_2i的时间间隔；△V_i是△t_i时间内试样的体积变化值；L和A分别为试样的高度与截面积；r_w为水的重度；

第i次分级降压过程中的孔隙比e_i的计算公式为：

$e_i=e_{i-1}-(1+e_{i-1})\frac{{\mathrm{\ΔV}}_i}{V_i}$

其中e_i-1第i次分级降压过程中的起始时刻孔隙比，当i＝1时，e_i-1即土样的初始孔隙比e₀；V_i为第i次分级降压过程试样的初始体积；△V_i是第i次分级降压过程中试样的体积变化值；本实施例中三次分级降压过程中的渗透系数k_i和初始孔隙比e_i-1如表1所示。

表1：三次分级降压过程中的渗透系数和初始孔隙比

S5：确定渗透系数与孔隙比的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系，具体的，根据步骤S4中求得的第i次分级降压过程中的渗透系数k_i和起始时刻孔隙比e_i-1，绘制关系曲线k-e，并得到渗透系数与孔隙比的关系表达式:lgk＝ae-b，其中a和b是回归分析得到的拟合系数，根据表1中的数据绘制出三次分级降压过程中的渗透系数k_i和起始时刻孔隙比e_i-1的关系曲线k-e如图2所示，通过计算得出渗透系数与孔隙比的关系式为lgk＝4.1159e-13.202。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取测试土样，并通过试验获得土样的初始孔隙比e₀；

S2：制作试样，根据三轴固结仪确定试样尺寸，选取土样中心区域进行制作，并对制出的试样进行饱和处理；

S3：对试样进行三轴固结试验，采用分级降压渗流试验方法，先升高围压和背压达到试验设计值，待孔压稳定后开始逐级降低背压进行渗流固结试验，并记录试验过程中试样的孔压和体积变化值；

S4：处理记录的试验数据，并计算分级降压过程中的渗透系数和孔隙比；

S5：确定渗透系数与孔隙比的关系，绘制关系曲线，最终得到两者的数学关系。

2.根据权利要求1所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，步骤S1中获取测试土样是指：采用薄壁取土法，在指定区域取得土样，并进行封存后用于做室内试验。

3.根据权利要求1或2所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S1中，获得土样的初始孔隙比e₀是指：通过环刀法求得土的重度r_s，用烘干法求出土的含水率w，并利用公式求得初始孔隙比，其中r_w为水的重度。

4.根据权利要求1所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述三轴固结仪具有控制试样孔压大小、测量孔压和体积变化的功能。

5.根据权利要求1所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S2中，饱和处理是指：采用浸水饱和法处理试样，使其饱和度达到99％以上。

6.根据权利要求1所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述三轴固结试验包括以下步骤：

S31:将所述试样的围压升至试验设计值，同时将所述背压调至比围压小10kPa，观测孔压变化情况；

S32:待孔压稳定并等于背压值，进行分级降压渗流试验，首先设定背压每一级的降压值；接着开始第一级降压渗流试验，使试样排水固结，观测孔压变化情况，间隔获取试样的孔压和体积变化值；

S33：待上一级降压渗流试验的孔压稳定并等于该级背压值后，进行下一级降压渗流试验，间隔获取试样的孔压和体积变化值；

S34：重复步骤S33，直到背压降至预先设定值，且孔压达到稳定值，此时完成所有分级降压渗流试验。

7.根据权利要求6所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S32中，所述背压每一级降压值不小于50kPa，所述分级降压渗流试验分级的次数不少于3次。

8.根据权利要求6所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，步骤S32和S33中，所述获取试样孔压值和体积变化值的时间间隔为30-120s。

9.根据权利要求1所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述分级降压过程中渗透系数和孔隙比的计算方法为：

第i次分级降压过程中的渗透系数k_i采用变水头渗流计算公式进行计算，其中P_1i为第i次分级降压过程中的起始孔压；P_2i＝(P_1i+P_bi)/2为第i次分级降压过程中的中值孔压，即起始孔压与稳定时孔压的平均值，P_bi为第i次分级降压过程中的背压，稳定时孔压等于背压；△t_i为孔压从P_1i下降到P_2i的时间间隔；△V_i是△t_i时间内试样的体积变化值；L和A分别为试样的高度与截面积；r_w为水的重度；

第i次分级降压过程中的孔隙比e_i利用公式进行计算，其中e_i-1第i次分级降压过程中的起始时刻孔隙比；V_i为第i次分级降压过程试样的初始体积；△V_i是第i次分级降压过程中△t_i时间内试样的体积变化值。

10.根据权利要求9所述的基于三轴固结试验确定土体渗透系数与孔隙比关系的方法，其特征在于，所述步骤S5中绘制关系曲线是指：根据第i次分级降压过程中的渗透系数k_i和起始时刻孔隙比e_i-1，绘制关系曲线k-e，并得到渗透系数与孔隙比的关系表达式:lgk＝ae-b，其中a和b是回归分析得到的拟合系数。