| 标题 | 考虑颗粒形状的粗粒土渗透特性试验研究 |
| 范文 | 邱珍锋 卢孝志 伍应华 基金项目:国家“十二五”科技支撑计划课题（2012BAB05B04）;重庆交通大学研究生教育创新基金资助项目（2011（上）第06号） 作者简介:邱珍锋（1988玻，男，江西信丰人，博士研究生，主要从事水利工程方面的研究。E瞞ail：qiuzhenfeng3012@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.022 摘要：粗粒土的渗透特性与物质成分、颗粒级配、颗粒形状、密实度等因素相关。通过室内垂直渗透试验，探讨了土体颗粒形状、颗粒级配和试样密实度对粗粒土渗透系数的影响。九组正交试验结果的极差及方差分析表明，级配对渗透性的影响最大；两组颗粒形状对比分析试验结果表明，试样渗透系数随着颗粒球形度增大而增大。通过对试验结果反映的渗透特性进行分析，总结了以渗透系数作为变量的临界水力梯度估算公式。 关键词：粗粒土；渗透系数；颗粒级配；干密度；颗粒形状 中图分类号：TU411.4文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04010205 Experimental Research on the Permeability Property of Coarse Grained Soils Considering the Particle Shape QIU Zhen瞗eng1,2,LU Xiao瞶hi1,2,WU Ying瞙ua1,2 (1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China;2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China) Abstract:The permeability property of coarse grained soils is closely related to material composition,grain size distribution,particle shape,and particle density.Based on the laboratory permeability test,the effects of particle shape,grain size distribution,and particle density on the permeability property of coarse grained soils were studied.Nine orthogonal experiments and two particle shape experiments were performed.The results showed that grain size distribution has the largest impact on permeability based on the range analysis and variance analysis of the orthogonal tests,and permeability increases with the increasing of particle sphericity based on the comparative analysis of two particle shape tests.The estimation formula of critical hydraulic gradient was proposed using the permeability coefficient as a variable based on the analysis of permeability characteristics reflected by the above tests. Key words:coarse grained soils;permeability coefficient;grain size distribution;dry density;particle shape 土体材料是典型的孔隙介质，其渗透特性与形成孔隙结构的颗粒大小、形状、级配组成等因素密切相关［1］。目前，关于颗粒级配、干密度、砾石和细颗粒含量等因素对渗透特性影响的研究成果较多［26］，而颗粒形状的影响往往被忽略，例如周中等［78］对粗颗粒土进行了砾石含量、孔隙比、颗粒形状三种因素的渗透特性正交试验，认为砾石含量对渗透性的贡献比空隙比、颗粒形状要大。虽然颗粒形状量化指标繁多，但多数学者认为采用磨圆度和球形度进行分析比较合适［910］。另外，颗粒表面粗糙程度也对宏观力学有一定的影响，刘清秉等曾［1112］采用球形度、磨圆度、粗糙度分析了颗粒形状对土体材料剪切强度和桩端阻力等力学指标的影响。 为了分析颗粒形状对渗透特性的影响，本文结合颗粒形状量化分析方法，采用常水头渗透试验，对卵石、卵石破碎料、泥岩颗粒料三种粗颗粒材料的级配、干密度、颗粒形状的正交设计进行了垂直渗透试验，并分析了渗透系数与临界水力梯度之间的关系。 1试验方案设计 1.1试验土料 试验土料取3种：泥岩颗粒、卵石颗粒及卵石颗粒破碎料见图1。泥岩取自重庆三叠系上统须家河组地层，弱风化，紫红色，泥岩颗粒料棱角分明；卵石取自枯水期的河滩中，呈球状、椭球状；将卵石破碎之后的颗粒作为卵石破碎颗粒料，其形状特性介于卵石与棱角分明的泥岩颗粒料。 试验时，对3种粗粒料分别拟定一种颗粒级配见图2。各级配均属级配良好的土体级配，不均匀系数和曲率系数均满足Cu≥5，1 Fig.1Test soil samples 图2试验土料级配曲线 Fig.2Gradation curves of test soil samples 1.2试验方案 孔隙介质的渗透特性与颗粒的级配、形状及其间的孔隙结构分布和组成成分等密切相关［78］。本试验只分析颗粒形状、干密度及级配三种因素对渗透特性的影响，拟定干密度为1.90 g/cm3、1.95 g/cm3、2.00 g/cm3三种水平见表1。正交试验方案设计见表2，另设计2组颗粒形状对比分析试验。 表1影响因素设计 Table 1Factors and levels 水平因素形状级配干密度/(g·cm3)1卵石JP11.902破碎卵石JP21.953泥岩JP32.002试验方法 2.1仪器介绍 试验仪器采用自制的常水头渗透仪［13］见图3。为了便于击实，仪器设计为长方体，试样尺寸为200 mm×200 mm×400 mm。试验用水是水温高于室温3 ℃~4 ℃的脱气水；饱和控制水头差不大于2 cm，即常水头条件，保证试样结构不会在饱和过程遭受破坏。仪器采用“O”型密封圈、橡胶垫以及螺栓止水，上盖、下盖及前盖可拆卸，并采用测压管和孔压传感器实时监测土样中的孔隙压力，通过数据采集系统记录和保存数据。试验过程中采用常水头和氮气加压的两种方式控制水头，并配备高精度加压控制阀，前部分采用不同高度放置大水桶控制常水头，且保证水桶内水面保持不变。 表2正交试验方案 Table 2Test scheme of orthogonal tests 实验编号因素形状级配干密度备注A1111A2122A3133A4212A5223A6231A7313A8321A9332B10121B11221正交试验形状对 比试验图3试验仪器 Fig.3Test instruments 2.2试验步骤 （1）制样。按拟定试验方案中的级配及干密度进行取样，制样含水率控制为8%，搅拌均匀并闷料12 h以上。将准备好的土料分成三等份，逐层填入竖立放置的仪器中，击实至预定高度并刨毛。 （2）试样饱和。制样完成后，拧紧螺栓，采用常水头法进行饱和，保证水头差不大于2 cm，直至出水管处有水连续流出。 （3）测试。分级加压测试，并同时进行人工读取测压管数据和计算机采集孔压数据，直至试样破坏。 3试验结果及分析 3.1试验结果 试验结束后，需对试验结果进行温度修正，最终得到标准温度（20 ℃）下的渗透系数k20，见表3。 3.2正交试验结果分析 对正交试验结果进行极差分析见表4和方差分析见表5。极差越大代表该因素对整体结果的贡献越大［7］，由表4可知，级配对粗颗粒土料的渗透系数的影响最大，颗粒的形状及干密度对渗透系数的影响相对较小，且两者的贡献区别并不明显。75%和50%保证率的F分布临界值分别为3.0和1.0，从方差分析看出颗粒形状试验的的保证率未达到50%，结果并不理想，可能存在试验误差，试验误差产生的原因较多，其中，试验中饱和过程的控制可能是产生误差的主要原因。如果试样中的孔隙气泡未全面排除，造成空隙堵塞，表3试验结果 Table 3Test results 试验编号kT/(102 cm·s1)温度T/℃温度修正系数ηt/η20k20/(102 cm·s1)临界坡降icr0.77010.61.2750.9821.040A223.6509.71.30830.9290.204A33.77011.21.2544.7270.315A462.00010.01.29780.4140.094A53.74012.11.2244.5770.396A61.84012.01.2272.2580.579A79.11010.01.29711.8160.102A80.8709.81.3041.1351.225A90.1609.81.3040.2091.923B108.74011.21.25410.9580.113B116.39012.11.2247.8200.227渗透通道不畅，试验结果受到显著的影响，正因如此，为了分析颗粒形状对渗透特性的影响，另加了两组对比分析试验B10、B11。其余两组水平试验结果保证率基本符合要求，具有一定的代表性，级配试验结果可以看出，误差基本是由于水平差异引起的，因而，认为级配对渗透性的影响最大是可信的。表4极差分析表 Table 4Range analysis 实验 编号因素形状级配干密度空列渗透系数 k20/(cm·s1)目标极值形状级配干密度空列A111110.982Kj136.6493.214.375.77A2122230.929Kj287.2536.64111.5545.00A313334.727Kj313.167.1921.1286.28A4212380.414Kj112.2131.071.461.92A522314.577Kj229.0812.2137.1815.00A623122.258Kj34.392.407.0428.76A7313211.816Qj3 042.623 360.914 303.023 167.33A832131.135S2j955.771 274.072 216.171 080.48A933210.209极差7.8328.675.5826.84K=137.05 P=2 086.85 Q=7 613.34ST2=5 526.49（附：Kj1表示j列水平1试验值之和，Kjt表示对应Kj1的均值，S2j表示j列离差平方和，ST2总离差平方和）表5方差分析表 Table 5Variance analysis 方差来源离差平方和自由度均方差F值F临界值形状955.77 2477.89 0.88级配1 274.07 2637.03 1.18干密度2 216.17 21 108.09 2.05误差1 080.48 2540.24总和5 526.49 8F0.25（2,2）=3 F0.5（2,2）=13.3颗粒形状试验 颗粒形状的描述方法比较多，且学者们意见尚不统一［1］。范淑果等［9］从机械零件的角度出发，分析了圆度误差中的几种描述方式的差异，认为最小外接圆法对评定零件的形状是比较合适的；卓兴仁等［10］认为这几种方式应采用统计的方法确定最终的结果，刘清秉等［1112］计算了100个颗粒样本的球形度，将均值和统计期望作为该样本的球形度，以此来分析颗粒形状与力学强度指标等的关系，得到较为理想的效果。为此，笔者通过对每组粒径颗粒取50个试样颗粒进行拍照，经图片处理，得出颗粒最大内切圆直径d1及最小外接圆直径d2，球形度定义为ξ=d1/d2的值，将每组粒径的均值按级配中的颗粒百分含量分配再加权，最终确定该种颗粒的球形度。根据球形度的定义，标准圆的球形度ξ为1，颗粒的球形度均ξ≤1；棱角越分明、越不规则的颗粒球形度越小。试验中的几种颗粒球形度结果见表6。 表6颗粒形状量化 Table 6Quantification of particle shape 形状球形度k20/(102 cm·s1)临界坡降icr卵石0.67810.9580.113卵石破碎0.6067.8200.227泥岩0.5741.1351.225表3中的对比试验B10、B11、A8分别代表了颗粒级配为JP2、干密度为1.90 g/cm3的卵石、卵石破碎料、泥岩颗粒料的试验，渗透系数结果分别为10.958×102 cm/s、7.820×102 cm/s、0.299×102 cm/s。从表6中可以看出，从卵石、卵石破碎到泥岩，球形度逐渐减小，渗透系数呈减小的趋势；临界坡降随着球形度的减小而增大。分析认为，涉水颗粒表面形成一层水膜，水膜的吸附作用比较大，以致渗流孔隙相对减小。卵石比较圆润，泥岩棱角分明，相同体积下泥岩比卵石的比表面积大，导致泥岩颗粒料渗流通道小，渗透系数小；临界坡降是指大量颗粒跳动时的水力坡降，圆润的卵石颗粒之间的接触较小，粗糙程度小［11］，对移动颗粒的阻碍小，使得临界坡降值也小；从孔隙直径的角度上，卵石颗粒料由于比表面积小形成孔隙大，渗透阻力小，导致其临界坡降较小。 孔隙介质的渗透特性与孔隙系统大小、排列、接触方式等关系密切，颗粒级配只是宏观上描述颗粒介质的某些统计特征［1］。细观层面上，颗粒的形状、粗糙度及之间的接触等使得颗粒材料的力学机理更加复杂。笔者采用球形度的概念仅从卵石、卵石破碎料、泥岩颗粒料三者之间的颗粒形状对渗透特性的影响进行分析，得出球形度越大的颗粒渗透系数越大的规律，与周中等［78］的研究成果一致；通过正交试验的分析，发现颗粒级配对渗透系数的影响比干密度和颗粒形状大，干密度与颗粒形状对渗透系数的影响相差不大，而邱贤德等［14,15］在堆石体渗透特性的研究中也得出相应结论。 3.4渗透特性分析 孔隙介质的渗透系数、临界坡降都与材料本身属性有关，其中渗透系数的测试简单，而填土工程材料的临界水力梯度难于测定，但其对许多渗流问题分析更有意义。因此笔者尝试建立以渗透系数来描述坡降的公式，并与朱崇辉［3］、刘黎［2］的试验成果进行对比分析见图4。 图4渗透特性 Fig.4Permeability property 从图4中可以得出渗透系数k与临界水力梯度icr之间的对数关系，R2为0.76，拟合公式为： icr=1.06-0.34ln(k-0.05)（1） 从公式（1）和图4可以看出，临界水力梯度随着渗透系数的增大而非线性递减，渗透系数k从0.11×102 cm/s增大到4.45×102 cm/s的过程中，临界水力梯度递减较快；随后随着渗透系数的增大而呈现缓慢递减过程。 周中等［78］建立了颗粒组成特征与渗透系数之间的关系，认为渗透系数与级配等效粒径、曲率系数等成正比关系；邱贤德等［1415］提出了渗透系数、临界水力梯度与粗颗粒含量之间的关系，认为渗透系数与粗颗粒含量呈负指数关系，临界水力梯度与其呈指数关系，这些结论的前提是渗透系数、临界坡降等是材料的本质属性，是相互联系的。因而，笔者从试验结果和前人研究成果中总结了渗透系数与临界水力梯度之间的关系式，但该公式的分析介于渗透系数在0.1~0.13 cm/s范围，因此，具有一定的缺陷性。 4结论 通过试验研究，分析了渗透特性与颗粒级配、形状及干密度的关系，得出以下结论。 （1）粗粒土的渗透系数与土体颗粒级配、颗粒形状和干密度等密切相关，其中，颗粒级配对渗透系数的影响最大；渗透系数随着颗粒球形度的增大而增大； （2）渗透系数在一定范围内与临界水力梯度之间的非线性相关性明显，可用渗透系数估计临界水力梯度的大小。由于本试验成本大，得到的样本不多，因此更深入的研究还需要增加实验样本。 参考文献（References）： ［1］张家发，焦赳赳.颗粒形状对多孔介质孔隙特征和渗流规律影响研究的探讨［J］.长江科学院院报.2011,28(3):3944.(ZHANG Jia瞗a,JIAO Jiu瞛iu.Influence of Grain Shape on Characteristics of Pores and Seepage in Porous Media［J］.Journal of Yangtze River Scientific Reseach Institute.2011,28(3):3944.(in Chinese)) ［2］刘黎.粗粒料渗透特性及渗透规律试验研究［D］.成都:四川大学,2006.(LIU Li.Testing Study on Seepage Property and Seepage Law of the Coarse Grain［D］.Chendu:Sichuan University,2006.(in Chinese)) ［3］朱崇辉.粗粒土的渗透特性研究［D］.杨凌:西北农林科技大学,2006.(ZHU Chong瞙ui.Study on the Coarse瞘rained Soil Permeability Characteristic［D］.Yangling:Northwest Agriculture and Forestry University.2006.(in Chinese)) ［4］黄先伍，唐平，缪协兴，等．破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究［J］．岩土力学，2005,26(09)：13851388．（HUANG Xian瞱u,TANG Ping,MIAO Xie瞲ing,et al.Testing Study on Seepage Properties of Broken Sandstone［J］.Rock and Soil Mechanics,2005,26( 09):13851388.(in Chinese)) ［5］马占国，缪协兴，李兴华，等．破碎页岩渗透特性［J］． 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