CN114034621B - 土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法，模型构建方法包括以下步骤：S1、获取土体，分别获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；S2、基于渗透系数和孔隙比数据对表面积比例系数δ和C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；S3、确定每类土体的比表面积A_s；S4、确定系数C和土体比表面积A_s的关系式；S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的土体渗透系数计算模型。通过本发明所构建的模型计算土体渗透系数，解决现有公式计算法获得体渗透系数对细颗粒土适用性较差的问题。

Description

土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法

技术领域

本发明涉及土力学及流体力学技术领域，具体涉及土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法。

背景技术

渗透系数是衡量多孔介质运输水的能力的重要参数，既和流体的物理性质也和运输介质的特征有关。一个可靠的渗透系数值是饱和土沉降速度计算，边坡稳定性分析和土坝设计的关键，同时也是饮用水供应，水资源管理，水污染和废物储存工程设施建设的关键参数。渗透系数可以通过试验法和公式计算法确定。室内试验当前的难题是获取具有代表性的试样，而且经常会花费很长的时间；现场试验由于缺乏对含水层几何边界和水力边界条件的精确认知，难以获得相对准确的渗透系数值，同时现场试验通常会很昂贵。

因为试验的难度以及影响渗透系数因素的多样性和复杂性，大量学者对渗透系数的经验或半经验计算公式进行了研究，得到了以下主要影响因素：颗粒尺寸分布，颗粒形状，孔隙度，孔隙比，饱和度，粘土含量，界限含水率。

许多学者在试验工作的基础上提出了计算渗透系数的公式，其中，Hazen公式以及柯森-卡门公式最为常用。Hazen提出了如下饱和砂土的渗透系数计算公式：

式中，k是渗透系数(cm/s)；C_H是Hazen经验常数；D₁₀是颗粒累积分布曲线上累积含量为10％所对应的颗粒尺寸(cm)。但Hazen公式适用条件较为严苛：均匀的细砂至砾砂，不均匀系数C_u小于5，且有效粒径D₁₀在0.1至3mm之间。

柯森-卡门公式是一个主要利用土体孔隙比来计算饱和渗透系数的公式：

其中，k是土的饱和渗透系数(m/s)；C_s是一个和孔隙通道的形状和弯曲度有关的常系数，取值通常为0.2；g是重力加速度(m/s²)；μ_w是水的动力粘度(N·s/m²)；ρ_w是水的密度(kg/m³)，ρ_s是固体的密度(kg/m³)，G_s是土颗粒的比重(G_s＝ρ_s/ρ_w)，S_S是比表面积(m²/kg)；e是孔隙比。

柯森-卡门公式对砂土的适用性较好但对细颗粒土比如粉土和粘土的适用性较差，其预测结果往往会有很大的误差；这是因为该公式的提出并没有考虑土颗粒和水之间的电化学反应及有效孔隙比。

发明内容

本发明的目的在于提供土体渗透系数的获取方法及装置、模型构建方法，通过本发明所构建的模型计算土体渗透系数，解决现有公式计算法获得体渗透系数对细颗粒土适用性较差的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

土体渗透系数计算模型的构建方法，包括以下步骤：

S1、获取土体，所述土体包括砂土、粉土和粘土；分别通过实验测试获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；

S2、基于步骤S1获得的渗透系数和孔隙比数据，基于土体渗透系数推导计算模型对表面积比例系数δ和系数C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对系数C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；

S3、确定每类土体的比表面积A_s；

S4、基于步骤S2中得到的土体的C值与其比表面积A_s进行相关性分析，确定系数C和土体比表面积A_s的关系式；

S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的土体渗透系数计算模型。

本发明所述表面积比例系数δ：土颗粒的外表面组成了液体流通管道的管道壁，在计算时通常是假设土颗粒之间没有接触或者是接触部分很少，从而认为由土颗粒的接触而产生的表面积损失很少，但实际上因为土颗粒形状和大小的差异等因素常常会存在大量的表面接触从而造成管道壁面积的折减；同时由于粘性流体在小直径管道中流动时会有部分流体粘滞在土颗粒表面也对管道壁面积进行了折减，故引进该系数来描述这些折减效应。

本发明在构建土体渗透系数计算模型的过程引入了表面积比例系数δ和系数C；充分考虑土颗粒和水之间的电化学反应以及有效孔隙比，使得构建的土体渗透系数计算模型能够适用于细颗粒土。相比现有的柯森-卡门公式，提高了对细颗粒土渗透系数计算结果的准确度。

有效孔隙比：饱和细粒土中的水包括孔隙中的自由水和吸附在黏土颗粒表面的结合水；对于细粒土而言，能够自由流通的水所占据的孔隙才是对渗透系数有影响的，或者说是有效的。

进一步地，步骤S1中，测试渗透系数和孔隙比的方法包括定水头渗透试验，变定水头渗透试验和固结试验。

进一步地，步骤S2中，所述推导计算模型以柯森-卡门公式为基础，根据达西渗流定律、哈根-泊肃叶定律、流体流经圆形毛细管道的流量计算公式，并引入表面积比例系数δ构建。

进一步地，推导计算模型如下：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，δ为表面积比例系数，e为孔隙比。

进一步地，步骤S3中，对于粗颗粒土(砂土)，利用完整的颗粒尺寸分布曲线计算比表面积，对于细粒土(粉土和粘土)，采用基于液限构建的关系式计算比表面积。

进一步地，粗颗粒土的比表面积计算模型如下：

式中，C_u＝D₆₀/D₁₀，是土的不均匀系数；D₆₀,D₅₀,D₁₀是累积质量为60％，50％，10％所对应的粒径；ρ_w是水的密度，单位为kg/m³，G_s是土颗粒的比重，G_s＝ρ_s/ρ_w；ρ_s是固体的密，单位为kg/m³。

进一步地，细粒土的比表面积计算模型如下：

式中，A_S为细粒土比表面积，LL为液限。

进一步地，步骤S5中，砂土、粉土和粘土的渗透系数计算模型如下：

砂土：

粉土：

粘土：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，A_S为细粒土比表面积，e为孔隙比。

土体渗透系数的获取方法，包括以下步骤：

步骤一、确定期望获得土体渗透系数土样的土体类别；

步骤二、采用与土体类别相匹配的方法计算土样的孔隙比e和比表面积A_s；

步骤三、将孔隙比e和比表面积A_s代入渗透系数计算模型，获得土体渗透系数。

土体渗透系数的计算装置，包括：

数据采集模块：用于采集实验数据；

参数计算模块；用于接收数据采集模块的数据，并计算获得孔隙比e和比表面积A_s；

土体渗透系数计算模块；存储有每类土体的渗透系数计算模型，用于获得参数计算模块的数据，基于存储的渗透系数计算模型计算对应土体的土体渗透系数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明将原本复杂、昂贵、耗时长的试验通过简便易捷的常规土力学试验替代，相比现有采用实验方法获得土体渗透系数，具有效率高，成本低，操作简单的优点。

2、本发明是对柯森-卡门公式的改进，土体渗透系数计算模型的过程引入了表面积比例系数δ和系数C；充分考虑土颗粒和水之间的电化学反应及有效孔隙比，使得构建的土体渗透系数计算模型能够适用于细颗粒土。相比现有的柯森-卡门公式，提高了对细颗粒土渗透系数计算结果的准确度。

3、本发明具有适用范围广的优点，既能适用于粗颗粒土，也能适用于细颗粒土。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的土颗粒-水系统模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

土体渗透系数计算模型的构建方法，包括以下步骤：

S1、获取土体，所述土体包括砂土、粉土和粘土；分别通过实验测试获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；

具体地：利用大量砂土、粉土和粘土进行实验获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据，渗透系数均是在试样饱和的状态下测得，测试的方法包括定定水头渗透试验，变定水头渗透试验和固结试验等，试验样品有扰动样以及未扰动样。

S2、基于步骤S1获得的渗透系数和孔隙比数据，基于土体渗透系数推导计算模型对表面积比例系数δ和系数C进行双参数非线性回归拟合，取最合理、最佳拟合结果，确定每类土体的表面积比例系数δ，结果显示，对于粘土，粉土和砂土，参数δ取值分别为2，3和5；基于表面积比例系数δ对C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；

其中，土体渗透系数推导计算模型基于柯森-卡门公式：

以土力学领域内具有代表性的，常用的柯森-卡门公式为基础，根据达西渗流定律、哈根-泊肃叶定律、Donald W.Taylor提出的流体流经圆形毛细管道的流量计算公式，并引入表面积折减系数δ来描述由于土壤颗粒和部分粘性流体相互作用对渗流通道表面的折减效应，而后基于δ建立了有效孔隙比和总孔隙比的函数关系，得到改进后的计算公式：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，δ为表面积比例系数，e为孔隙比。

S3、确定每类土体的比表面积A_s；

利用完整的颗粒尺寸分布曲线计算比表面积的方法适用于行为受重力骨架力决定而非与表面相关的力决定的多孔介质颗粒，即适用于无塑性的粗颗粒土，其比表面积计算公式为：

式中，C_u＝D₆₀/D₁₀，是土的不均匀系数；D₆₀,D₅₀,D₁₀是累积质量为60％，50％，10％所对应的粒径；ρ_w是水的密度，单位为kg/m³，G_s是土颗粒的比重，G_s＝ρ_s/ρ_w；ρ_s是固体的密，单位为kg/m³；

对于细粒土的比表面积，主要考虑将其与液限建立联系。通过理论计算及经验关系统计得到一个半经验公式：

式中，A_S为细粒土比表面积，LL为液限。

S4、基于步骤S2中得到的土体的C值与其比表面积A_s进行相关性分析，确定系数C和土体比表面积A_s的关系式，如下所示：

S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的计算模型：

砂土：

粉土：

粘土：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，A_S为细粒土比表面积，e为孔隙比。

本实施例引入了表面积比例系数δ和系数C，土颗粒的外表面组成了液体流通管道的管道壁，在计算时通常是假设土颗粒之间没有接触或者是接触部分很少，从而认为由土颗粒的接触而产生的表面积损失很少，但实际上因为土颗粒形状和大小的差异等因素常常会存在大量的表面接触从而造成管道壁面积的折减；同时由于粘性流体在小直径管道中流动时会有部分流体粘滞在土颗粒表面也对管道壁面积进行了折减，故引进该系数来描述这些折减效应。

如图1所示，在本实施例中，将土颗粒以及外部的不移动水看作是一个新的土颗粒，新的土颗粒表面也会因为接触而产生表面积损失，同时在外表面有一层附着的很薄的粘滞水，并假设这一层粘滞水只起到折减表面积的作用而不计入无效孔隙比范围内。

实施例2：

土体渗透系数的获取方法，包括以下步骤：

步骤一、对于期望获得饱和渗透系数的土体试样，首先根据现场鉴别及室内试验确定其土体类别；

步骤二、采用与土体类别相匹配的方法计算土样的孔隙比e和比表面积A_s；

步骤三、将孔隙比e和比表面积A_s代入实施例1所构建的渗透系数计算模型，获得土体渗透系数：

若为粗粒土，利用实验室常规土力学试验测得其完整级配曲线，土样孔隙比e，土颗粒比重G_s，而后利用步骤S3中的公式(2)计算其比表面积A_s，然后将计算所得的A_s与孔隙比e代入步骤S5中的公式(5)便可得到所需粗粒土的饱和渗透系数。

若为粉土，利用实验室常规土力学试验测得其液限LL和土样孔隙比e，而后利用步骤S3中的公式(3)计算其比表面积A_s，然后将计算所得的A_s与孔隙比e代入步骤S5中的公式(6)便可得到所需粉土的饱和渗透系数。

若为粘土，利用实验室常规土力学试验测得其液限LL和土样孔隙比e，而后利用步骤S3中的公式(3)计算其比表面积A_s，然后将计算所得的A_s与孔隙比e代入步骤S5中的公式(7)便可得到所需粘土的饱和渗透系数。

本实施例避免了试验法测定土体渗透系数存在的难以制备代表性试样，花费时间长，经济合理性较差等问题，同时也避免了公式法因不适用于细粒土而导致计算结果产生较大偏差的问题。本发明在理论推导和大量试验数据验证的基础上，建立了既适用于粗粒土，也适用于细粒土的改进公式，该公式将土体饱和渗透系数与相对容易测量的土的级配曲线，总孔隙比，液限等性质参数建立联系，可以较为准确的计算得到各种土体的饱和渗透系数。本发明将原本复杂、昂贵、耗时长的试验通过简便易捷、经济合理的常规土力学试验替代，也使得土体饱和渗透系数的取值更加科学、合理，为饱和土沉降速度计算，边坡稳定性分析和土坝设计等工程领域提供有力支持与依据。

实施例3：

土体渗透系数的计算装置，包括：

数据采集模块：用于采集实验数据；

参数计算模块；用于接收数据采集模块的数据，并计算获得孔隙比e和比表面积A_s；

土体渗透系数计算模块；存储有每类土体的渗透系数计算模型，用于获得参数计算模块的数据，基于存储的渗透系数计算模型计算对应土体的土体渗透系数。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取土体，所述土体包括砂土、粉土和粘土；分别通过实验测试获得每类土体的渗透系数和孔隙比数据；

S2、基于步骤S1获得的渗透系数和孔隙比数据，基于土体渗透系数推导计算模型对表面积比例系数δ和系数C进行双参数非线性回归拟合，确定每类土体的表面积比例系数δ，基于表面积比例系数δ对系数C进行单参数拟合，获得每类土体的C值；

S3、确定每类土体的比表面积A_s；

S4、基于步骤S2中得到的土体的C值与其比表面积A_s进行相关性分析，确定系数C和土体比表面积A_s的关系式；

S5、将步骤S4获得的关系式，以及步骤S2获得的表面积比例系数δ代入推导计算模型获得每类土体的土体渗透系数计算模型；

步骤S2中，所述推导计算模型以柯森-卡门公式为基础，根据达西渗流定律、哈根-泊肃叶定律、流体流经圆形毛细管道的流量计算公式，并引入表面积比例系数δ构建；

所述推导计算模型如下：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，δ为表面积比例系数，e为孔隙比。

2.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，测试渗透系数和孔隙比的方法包括定水头渗透试验，变定水头渗透试验和固结试验。

3.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S3中，对于粗颗粒土，利用完整的颗粒尺寸分布曲线计算比表面积，对于细粒土，采用细粒土采用基于液限构建的关系式计算比表面积。

4.根据权利要求3所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，粗颗粒土的比表面积计算模型如下：

式中，C_u＝D₆₀/D₁₀，是土的不均匀系数；D₆₀,D₅₀,D₁₀是累积质量为60％，50％，10％所对应的粒径；ρ_w是水的密度，单位为kg/m³，G_s是土颗粒的比重，G_s＝ρ_s/ρ_w；ρ_s是固体的密，单位为kg/m³。

5.根据权利要求3所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，细粒土的比表面积计算模型如下：

式中，A_S为细粒土比表面积，LL为液限。

6.根据权利要求1所述的土体渗透系数计算模型的构建方法，其特征在于，步骤S5中，砂土、粉土和粘土的渗透系数计算模型如下：

砂土：

粉土：

粘土：

式中，k_sat是渗透系数，单位为cm/s，A_S为细粒土比表面积，e为孔隙比。

7.土体渗透系数的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定期望获得土体渗透系数土样的土体类别；

步骤二、采用与土体类别相匹配的方法计算土样的孔隙比e和比表面积A_s；

步骤三、将孔隙比e和比表面积A_s代入权利要求6所构建的渗透系数计算模型，获得土体渗透系数。

8.土体渗透系数的计算装置，其特征在于，包括：

数据采集模块：用于存储实验数据；

参数计算模块；用于接收数据采集模块的数据，并计算获得孔隙比e和比表面积A_s；

土体渗透系数计算模块；存储有如权利要求6所构建的每类土体的渗透系数计算模型，用于获得参数计算模块的数据，基于存储的渗透系数计算模型计算对应土体的土体渗透系数。

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