一种饱和黏土体渗透系数测定方法技术

本发明专利技术提出一种饱和黏土体渗透系数测定方法，其特征在于包括：步骤A、黏土体相关土力学参数测定；步骤B、获得黏土体有效孔隙比e

【技术实现步骤摘要】
一种饱和黏土体渗透系数测定方法


[0001]本专利技术属于岩土工程领域饱和黏土渗透系数测定方法。

技术介绍

[0002]渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。渗透系数是工程领域的基础参数之一，准确确定饱和黏土体的渗透系数有助于计算确定土体的渗透力和水压力及渗流量。准确的饱和黏土渗透系数可以准确计算土石坝和渠道渗漏水量、基坑开挖时的涌水量及水井的供水量，渗透系数的准确性直接关系到工程的经济效益。在边坡工程中，渗流水压力是造成边坡失稳破坏的主要诱因，准确的饱和黏土渗透系数直接关系到边坡工程的稳定性评价和抗滑工程设计。渗透系数也是评价工程地基中渗透变形地质问题的关键参数，不仅直接影响工程项目的稳定性和安全性，而且关系到工程效益的损益，合理确定饱和黏土体的渗透系数在工程领域至关重要。
[0003]饱和黏土体的渗透性远远小于砂石土，早期工程应用中常被作为不透水层处理，但随着地面沉陷变形、含软弱黏土夹层的边坡滑动失稳、黏土心墙土石坝的渗漏、基坑隧道突涌等一系列工程安全问题的频频发生，饱和黏土体的渗流研究引起了工程界和学术界的广泛关注。砂石等无黏性土由于其内部孔隙的数量和尺度相对较大，土颗粒表面的电场力等对渗流水体影响较小，因此无黏性土渗流高度契合水的宏观渗流原理，Darcy渗流定律和Dupuit渗流原理等研究成果经过多年的实际工程检验，已获得了广大工程人员和专家学者的高度认可。但是饱和黏土体由于其内部孔隙尺度远小于无黏性土，土颗粒表面的库仑力、范德华力等严重影响了土体内部的渗流，并造成土颗粒表面的强结合水和部分弱结合水无法参与土体内部的渗流活动，并且饱和黏土体内部存在大量“盲孔”、“端孔”、“孤孔”等无效不连通孔隙，愈发造成饱和黏土体内部水体渗流机理的复杂多样。迄今为止，类似无黏性土“Darcy渗流定律”的符合广大工程人员和专家学者高度认可的饱和黏土体渗流模型仍未建立。近年来，国内外众多学者根据饱和黏土体的孔隙度、饱和含水率、有效比表面积、起始水力梯度、流体类型以及土体结构等因素在Darcy定律和K
‑
C方程等的基础上建立了众多修正渗流模型。但是目前所建立的理论计算模型普遍存在基础参数难以准确测定，由此导致计算结果误差较大，其统计学模型受数据和土体性质影响，局限性较大。
[0004]目前，岩土工程领域饱和黏土渗透系数应用最广泛的是修正Kozeny
‑
Carman方程，但是修正Kozeny
‑
Carman方程是基于饱和黏土体孔隙比和比表面积确定渗透系数，而针对饱和黏土体的土颗粒形状、实际渗流方向和路径长度等因素，采用了一个综合性常数，即KC常数，其最早由Kozeny在1927年提出，后Carman通过引入渗流通道的迂曲度进行了修正，但是KC常数仅是一个没有实际物理意义的综合性经验常数，虽然经过大量专家学者的不懈努力，KC常数的精度不断提高，并根据分形理论确立了新型KC常数的理论公式，但是其作为一个综合性经验常数取值依旧很大程度取决于经验，无法准确描述饱和黏土体的渗流机理。

技术实现思路

[0005]为解决现有饱和黏土体渗透系数测定的不足与缺陷，本专利技术提出一种基于有效孔隙比和有效比表面积的渗透系数测定方法，其技术方案如下：
[0006]步骤A：黏土体相关土力学参数的测定
[0007]在进行岩土工程勘察时，根据《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJ/T87
‑
2012)进行岩土取样，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123
‑
2019)采用密度计法试验进行颗粒分析，根据试验结果绘制颗粒级配曲线，分别获得饱和黏土体颗粒级配曲线中的一组土颗粒粒径d1、d2、粒径小于d1、d2的颗粒累计质量百分比m(d1)、m(d2)、饱和黏土体中的最大土颗粒粒径d
max
和最小土颗粒粒径d
min
及有效渗流限制土颗粒粒径d
re
，根据黏土颗粒等效球形孔隙理论，建议d
re
＝2.42
×
10
‑5m。根据《土工试验方法标准》(GB/T50123
‑
2019)采用比重瓶法进行比重试验确定饱和黏土体颗粒比重G
s
，采用环刀法进行密度试验确定黏土体干密度ρ
d
，采用水温计测定饱和黏土体内部的水温，在《土工试验方法标准》
[0008](GB/T50123
‑
2019)中查表确定水的动力粘滞系数η。
[0009]步骤B：获得黏土体有效孔隙比参数
[0010]1、获得饱和黏土体总孔隙比e
[0011]通过土力学的三相转换，基于步骤A确定的黏土颗粒比重G
s
、黏土干密度ρ
d
，根据公式(1)计算确定黏土体总孔隙比e：
[0012][0013]式中：ρ
w
为水的天然密度，ρ
w
＝1g/cm3。
[0014]2、获得饱和黏土体有效孔隙比e
e
[0015]本专利技术通过研究大量饱和黏土体中流动水与非流动水体积的比例关系，发现其关系是一个关于饱和黏土体孔隙率的函数，但饱和黏土体有效孔隙率由于是水和水土的体积比，受到水和土体共同作用的影响，渗流过程中水的体积不断变化，导致计算结果误差较大，利用土体的三相换算原理和水力学原理，采用饱和黏土体的总孔隙比确定有效孔隙比，由于饱和黏土体的总孔隙比和有效孔隙比都是水和土颗粒的体积之比，渗流过程中土颗粒的体积是恒定的，基于饱和黏土体中流动水与非流动水体积的比例关系建立了饱和黏土体有效孔隙比理论公式，大幅提高了计算精度。
[0016]饱和黏土体渗流的参与主体既是流动水(包含自由水和部分弱结合水)，流动水体积既是饱和黏土体中与渗流相关的有效孔隙体积，根据公式(2)获得饱和黏土体有效孔隙比：
[0017][0018]式中：m为与土壤性质相关的常数，建议取值范围为1～2。
[0019]步骤C：获得饱和黏土体有效比表面积参数
[0020]1、获得饱和黏土体颗粒的分维数D
[0021]基于步骤A确定的黏性土颗粒级配曲线中的一组土颗粒粒径d1、d2及粒径小于d1、d2的颗粒累计质量百分比m(d1)、m(d2)，代入公式(3)获得黏土颗粒的分维数D：
[0022][0023]鉴于传统理论公式计算的饱和黏土体有效比表面积和压汞实验测定的结果误差过大，分析原因发现:(1)公式中使用饱和黏土体的孔隙率自身精度较差，本专利技术采用饱和黏土体的有效孔隙比提高计算精度；(2)公式中采用饱和黏土体的孔隙总表面积与有效孔隙体积的比值作为有效比表面积，造成结果偏大，本专利技术将饱和黏土体有效比表面积理论公式中的孔隙总表面积改进为参与渗流活动的有效孔隙表面积。基于步骤A中饱和黏土体中的最大土颗粒粒径和最小土颗粒粒径及有效渗流限制土颗粒粒径d
max...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种饱和黏土体渗透系数测定方法，其特征在于包括：步骤A、黏土体相关土力学参数测定采用密度计试验对取样岩土进行颗粒分析，分别测定饱和黏土体颗粒级配曲线中的一组土颗粒粒径d1、d2、粒径小于d1、d2的颗粒累计质量百分比m(d1)、m(d2)、饱和黏土体中的最大土颗粒粒径d
max
和最小土颗粒粒径d
min
及有效渗流限制土颗粒粒径d
re
；采用比重试验测定饱和黏土体颗粒比重G
s
，采用环刀法进行密度试验确定黏土体干密度ρ
d
，采用水温计测定饱和黏土体内部的水温，并进一步确定水的动力粘滞系数η；步骤B、获得黏土体有效孔隙比e
e
通过饱和黏土体的总孔隙比确定有效孔隙比，基于饱和黏土体中流动水与非流动水体积的比例关系获得饱和黏土体有效孔隙比e
e
；步骤C、获得饱和黏土体有效比表面积S
e
获得黏土颗粒的分维数D，基于步骤A测定的饱和黏土体中的最大土颗粒粒径和最小土颗粒粒径及有效渗流限制土颗粒粒径d
max
、d
min
、d
re
参数、步骤B测得的饱和黏土体总孔隙比e及饱和黏土体有效孔隙比e
e
、获得饱和黏土体的有效比表面积S
e
：步骤D、饱和黏土体单位时间通过其横断面总水流量的测定步骤D1、将饱和黏土体中的渗流网络概化为具有一定曲折程度的毛细管，通过公式L
e
＝τL、获得饱和黏土体等效渗流毛细管道实际弯曲长度，L为饱和黏土体内沿水流方向的等效渗流毛细管道笔直长度，n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭璐，信校阳，傅鹏辉，王怡琨，刘小飞，徐麦菊，贾世祥，王忠胜，李伟涛，刘孔飞，陈琛，唐亚斌，
申请(专利权)人：平顶山市昭平台水库管理局，
类型：发明
国别省市：