CN107255614A - 重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，涉及地质工程技术领域，利用非饱和土的三轴仪，采用了直接法和间接法测量了非饱和重塑粉质粘土的渗透系数。结果表明，非饱和土的渗透系数可以通过间接法推导和直接法测量加以确定，通过试验，不但实现了非饱和土渗透系数的直接测量，而且也验证了间接法测量的渗透系数的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程技术领域，特别是涉及重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法。
背景技术
非饱和土体是一种由水、气体及固体颗粒等多相体系组成的多孔介质，特别是由于其中气相界面的存在，使非饱和土的渗透特性与饱和土有明显的不同。由于有基质吸力的存在，非饱和土的渗透系数不能用常规的试验的方法确定。非饱和土的渗透系数，长期以来大都是利用土水特征曲线间接求得，但是其准确度却无法保证。
发明内容
本发明实施例提供了重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，可以解决现有技术中存在的问题。
重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，所述方法包括以下步骤：
制取试样，根据非饱和土实际状态，控制土试样的密度在一定值，采用分三层层压实法配置多种质量含水量的试样；
间接测量，使用改进的三轴压力室在多种不同围压下测量不同质量含水量土试样的孔隙水压和孔隙气压，待每一级质量含水量、每一级围压下测得的孔隙气压和孔隙水压稳定后，记录所述孔隙气压和孔隙水压；
绘制特征曲线，得到不同质量含水量下土试样的孔隙气压和孔隙水压后，根据孔隙气压和孔隙水压求得每一级质量含水量的土试样的基质吸力值，然后将定围压下的质量含水量和对应的基质吸力值绘制成土-水特征曲线，同时也把饱和质量含水量和最小质量含水量以及对应的基质吸力值作为上下界限值点绘制在所述土-水特征曲线上；
三次样条插值，用三次样条对所述土-水特征曲线进行插值，得到一条插值曲线，在饱和质量含水量和最小质量含水量之间将质量含水量数值m等分，得到相应等分点处的质量含水量和基质吸力值；
渗透系数计算，将上面获得的各项数据带入以下公式，计算在饱和质量含水量和最小质量含水量之间等分点处质量含水量对应的渗透系数：
其中，kw(θw)i为第i间段的质量含水量θw对应的渗透系数，第i＝1间段表示和饱和质量含水量相邻的段，第i＝m间段表示和最小质量含水量相邻的段，ks为实测饱和渗透系数，kse为计算饱和渗透系数，Ts为水表面张力，ρw为水密度，g为重力加速度，μw为水的绝对粘度，θs为饱和质量含水量，p为考虑不同尺寸孔隙间相互作用的常数，本实施例中取2，N为饱和质量含水量和零质量含水量之间的计算间断的总数，(μa-μw)j为对应于第i间段中点的基质吸力；
直接测量，使用三轴压力室测量定围压下不同质量含水量的土试样的渗透系数；
试验结果验证，将间接法计算得到的渗透系数和直接法测量得到的渗透系数进行比较，如果二者的误差在一定范围内，则说明间接法计算得到的渗透系数真实可靠。
本发明实施例中的重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，利用非饱和土的三轴仪，采用了直接法和间接法研究了非饱和重塑粉质粘土的渗透系数进行试验研究。结果表明，非饱和土的渗透系数可以通过间接法推导和直接法测量加以确定。通过该试验，不但实现了非饱和土渗透系数的直接测量，而且也验证了间接法测量的渗透系数的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是间接法测量渗透系数使用的三轴压力室结构图；
图2是使用图1中三轴压力室测得的各围压下的质量含水量-基质吸力关系曲线；
图3是直接法测量渗透系数使用的三轴压力室结构图；
图4是使用图3中三轴压力室测得的各围压下的基质吸力与渗透系数关系曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，所述方法包括：
制取试样，根据非饱和土实际状态，控制土试样的密度在一定值，采用分三层层压实法配置多种质量含水量的试样；
间接测量，使用如图1所示的改进的三轴压力室在多种不同围压下测量不同质量含水量土试样的孔隙水压和孔隙气压，待每一级质量含水量、每一级围压下测得的孔隙气压和孔隙水压稳定后，记录所述孔隙气压和孔隙水压；
所述改进的三轴压力室主要包括两部分：(1)加压系统：由内外压力室组成，内压力室位于外压力室内部，且内压力室注水，外压力室充气，所述内外压力室均安装在底座上，内压力室内部用橡皮膜包裹土试样，土试样上方具有透水石，下方具有陶土板，包裹所述土试样和透水石、陶土板的橡皮膜底部安装在底座上，橡皮膜上方通过连杆与位于外压力室外部的荷重传感器连接，所述内外压力室用来施加围压和反压，内压力室和外压力室中的压力相等，以消除内压力室的变形对体变测量产生的误差；(2)测量系统：透水石上安装气压传感器，陶土板上安装孔隙水传感器，分别用于测量孔隙气压和孔隙水压。
绘制特征曲线，得到不同质量含水量下土试样的孔隙气压和孔隙水压后，根据孔隙气压和孔隙水压求得每一级质量含水量的土试样的基质吸力值，然后将定围压下的质量含水量和对应的基质吸力值绘制成土-水特征曲线，同时也把饱和质量含水量和最小质量含水量以及对应的基质吸力值作为上下界限值点绘制在所述土-水特征曲线上。
三次样条插值，用三次样条对所述土-水特征曲线进行插值，得到一条插值曲线，在饱和质量含水量和最小质量含水量之间将质量含水量数值m等分，得到相应等分点处的质量含水量和基质吸力值。
渗透系数计算，将上面获得的各项数据带入以下公式，计算在饱和质量含水量和最小质量含水量之间等分点处质量含水量对应的渗透系数：
其中，kw(θw)i为第i间段的质量含水量θw对应的渗透系数，第i＝1间段表示和饱和质量含水量相邻的段，第i＝m间段表示和最小质量含水量相邻的段，ks为实测饱和渗透系数，kse为计算饱和渗透系数，Ts为水表面张力，ρw为水密度，g为重力加速度，μw为水的绝对粘度，θs为饱和质量含水量，p为考虑不同尺寸孔隙间相互作用的常数，本实施例中取2，N为饱和质量含水量和零质量含水量之间的计算间断的总数，(μa-μw)j为对应于第i间段中点的基质吸力。
直接测量：使用如图3所示的三轴压力室测量定围压下不同质量含水量的土试样的渗透系数，图中所述三轴压力室主要包括：(1)加压系统：由压力室组成，用来施加围压和反压，压力室安装在底座上，其中注水，压力室内部使用橡皮膜包裹土试样，土试样上方和下方均安装陶土板，包裹所述土试样和陶土板的橡皮膜底部安装在底座上，橡皮膜上方通过连杆与位于压力室外部的荷重传感器连接，位于土试样上方的陶土板上安装进气口和出水口，下方的陶土板上安装出气口和进水口；(2)测量系统：位于土试样上方的陶土板上安装气压传感器，下方的陶土板上安装水压传感器，分别用于测量气压和水压。
试验结果验证，将间接法计算得到的渗透系数和直接法测量得到的渗透系数进行比较，如果二者的误差在一定范围内，则说明间接法计算得到的渗透系数真实可靠。
下面通过试验进行验证：
本试验所取土体为黄河大堤濮阳段的压实粉质粘土，其物理力学性质指标见表1。在试样配置的过程中，根据非饱和土实际状态，严格控制土试样的干密度为1.51g/cm3，采用分三层层压实法配置质量含水量为5％、10％、15％、20％、25％的土试样。在50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa不同的围压下量测量上述不同质量含水量土试样的孔隙水压和孔隙气压。每一级质量含水量、每一级围压下测得的孔隙气压和孔隙水压的差值必须是稳定，稳定标准是：体变连续2小时不超过0.01cm3，且历时不少于48小时。
表1 黄河下游大堤濮阳段堤身及堤基粉质粘土基本物理力学指标
根据上述试验方法，得到不同含水率的孔隙水压力和孔隙气压力见表2。
根据试验测得的不同质量含水量不同围压下稳定的孔隙水压力和孔隙气压力，可以很容易得到每一组含水量下的基质吸力值，绘制出土的含水量与基质吸力的之间的关系曲线即土-水特征曲线见图2，图2中a～e依次为围压50KPa、100KPa、200KPa、300KPa、400KPa时的特征曲线，为得到所需的渗透系数做了良好的铺垫。
表2 不同含水率、不同围压下的孔隙水压力与孔隙气压
以质量含水量14.6％为例，直接法测量渗透系数的试验步骤如下：
(1)准备工作，饱和陶土板、安装试样、给压力室注水、密封压力室。
(2)加压，加围压到预定值50kPa，再加顶部气压到预定值35kPa，直到试样底部气压也达到该值35kPa时，再在顶部和底部分别施加0kPa和20kPa的水压(模拟水头，其大小由试验中具体情况确定)。当试样的出水量和入水量相等时的水压值和水量值进行计算，以求解相应于(σ-μa)和(μa-μw)分别为15kPa和20kPa的应力状态下渗透系数。
试验在较高的围压(σ-μa)下重复进行，在每一级净围压(σ-μa)达到平衡后，量测孔隙水压力，以得出新的基值吸力值，在建立每一新的应力状态后，重复进行渗透试验。
在净周围压力(σ-μa)从15kPa增大到365kPa以及基值吸力从25kPa减小到0kPa的情况下，根据实验，测得围压一定的情况下，渗透系数与基质吸力的关系，并采用V-G模型模拟了两者之间的关系，实测与拟合结果见图4，图4中a～d依次为围压在50KPa、100KPa、200KPa、400KPa时的曲线。结果表明，当土试件压缩和基值吸力减小时，水的渗透系数是增加的。
根据上述直接与间接两种方法测定了非饱和土的渗透系数，为了验证这两种方法的准确性，以200KPa渗透系数为例，对两组试验数据进行比较，结果见表3。
表3 直接法与间接法渗透系数误差分析
根据表3的误差分析可知，两种测量方法最大相对误差相对误差不超过10.47％，满足工程需要。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
制取试样，根据非饱和土实际状态，控制土试样的密度在一定值，采用分三层层压实法配置多种质量含水量的试样；
间接测量，使用改进的三轴压力室在多种不同围压下测量不同质量含水量土试样的孔隙水压和孔隙气压，待每一级质量含水量、每一级围压下测得的孔隙气压和孔隙水压稳定后，记录所述孔隙气压和孔隙水压；
绘制特征曲线，得到不同质量含水量下土试样的孔隙气压和孔隙水压后，根据孔隙气压和孔隙水压求得每一级质量含水量的土试样的基质吸力值，然后将定围压下的质量含水量和对应的基质吸力值绘制成土-水特征曲线，同时也把饱和质量含水量和最小质量含水量以及对应的基质吸力值作为上下界限值点绘制在所述土-水特征曲线上；
三次样条插值，用三次样条对所述土-水特征曲线进行插值，得到一条插值曲线，在饱和质量含水量和最小质量含水量之间将质量含水量数值m等分，得到相应等分点处的质量含水量和基质吸力值；
渗透系数计算，将上面获得的各项数据带入以下公式，计算在饱和质量含水量和最小质量含水量之间等分点处质量含水量对应的渗透系数：
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其中，kw(θw)i为第i间段的质量含水量θw对应的渗透系数，第i＝1间段表示和饱和质量含水量相邻的段，第i＝m间段表示和最小质量含水量相邻的段，ks为实测饱和渗透系数，kse为计算饱和渗透系数，Ts为水表面张力，ρw为水密度，g为重力加速度，μw为水的绝对粘度，θs为饱和质量含水量，p为考虑不同尺寸孔隙间相互作用的常数，本实施例中取2，N为饱和质量含水量和零质量含水量之间的计算间断的总数，(μa-μw)j为对应于第i间段中点的基质吸力；
直接测量，使用三轴压力室测量定围压下不同质量含水量的土试样的渗透系数；
试验结果验证，将间接法计算得到的渗透系数和直接法测量得到的渗透系数进行比较，如果二者的误差在一定范围内，则说明间接法计算得到的渗透系数真实可靠。
2.如权利要求1所述的重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，其特征在于，间接测量中使用的改进的三轴压力室包括两部分：(1)加压系统：由内外压力室组成，内压力室位于外压力室内部，且内压力室注水，外压力室充气，所述内外压力室均安装在底座上，内压力室内部用橡皮膜包裹土试样，土试样上方具有透水石，下方具有陶土板，包裹所述土试样和透水石、陶土板的橡皮膜底部安装在底座上，橡皮膜上方通过连杆与位于外压力室外部的荷重传感器连接，所述内外压力室用来施加围压和反压，内压力室和外压力室中的压力相等，以消除内压力室的变形对体变测量产生的误差；(2)测量系统：透水石上安装气压传感器，陶土板上安装孔隙水传感器，分别用于测量孔隙气压和孔隙水压。
3.如权利要求1所述的重塑非饱和粉质粘土渗透系数的测量及验证方法，其特征在于，直接测量中使用的三轴压力室包括：(1)加压系统：由压力室组成，用来施加围压和反压，压力室安装在底座上，其中注水，压力室内部使用橡皮膜包裹土试样，土试样上方和下方均安装陶土板，包裹所述土试样和陶土板的橡皮膜底部安装在底座上，橡皮膜上方通过连杆与位于压力室外部的荷重传感器连接，位于土试样上方的陶土板上安装进气口和出水口，下方的陶土板上安装出气口和进水口；(2)测量系统：位于土试样上方的陶土板上安装气压传感器，下方的陶土板上安装水压传感器，分别用于测量气压和水压。
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