粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨[4] 2014.9.19.pdf

IWHR 粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨 中国水利水电科学研究院 报告人谢定松 2014年9月19日 第五届中国水利水电岩土力学与工程学术研讨会 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 1 1 引言引言 土工试验规程中对于土的分类规定，粒径在土工试验规程中对于土的分类规定，粒径在0.07560mm 之间的粗粒组质量大于总质量之间的粗粒组质量大于总质量50％的土称为粗粒类土，简％的土称为粗粒类土，简 称为粗粒土。称为粗粒土。 IWHR 1 1 引言引言  现在大坝填筑材料或坝基覆盖层料最大粒径可达现在大坝填筑材料或坝基覆盖层料最大粒径可达 800mm，而试验室，而试验室 中的渗透变形试验仪器直径一般为中的渗透变形试验仪器直径一般为30cm或或40cm，若不对试验级配曲线，若不对试验级配曲线 进行缩尺，试验室将无法开展试验工作。进行缩尺，试验室将无法开展试验工作。 IWHR 1 1 引言引言 现有试验规程基于力学强度等效的研究成果对缩尺问题提现有试验规程基于力学强度等效的研究成果对缩尺问题提 供了剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法供了剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法4种处理方种处理方 法法; 条文说明中提出条文说明中提出“对于渗透变形等试验，超粒径处理是否“对于渗透变形等试验，超粒径处理是否 可参照进行，尚有待于试验验证”可参照进行，尚有待于试验验证”。。 由于对渗透试验的超粒径缩尺方法的研究至今很少，没有由于对渗透试验的超粒径缩尺方法的研究至今很少，没有 明确而且可靠的论述，因而是困扰试验人员多年的技术难题，明确而且可靠的论述，因而是困扰试验人员多年的技术难题， 试验方法的正确与否直接影响试验成果的可靠性。试验方法的正确与否直接影响试验成果的可靠性。 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 2 2土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 2.1 渗透系数影响因素分析渗透系数影响因素分析 1）哈增公式（1911） 2 10 CdK  式中d10为有效粒径，cm； 2）扎乌叶布列公式（1932）  350135 1 2 17 2 3 18   Cd n n CK 3）巴甫契奇公式（1976）  2 17 2 3 3 15 1 26793d n n CK u   4）刘杰公式（1982） 2 20 3 10 234106DnK 1 2 等效级配等效级配 压实干密度压实干密度 IWHR 2 2土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 2.2 小于小于5mm颗粒含量对渗透性影响分析颗粒含量对渗透性影响分析 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.1110100 颗粒直径mm 小于某粒径之百分数 试验1 试验2 试验3 试验4 图 1 5mm 的含量为 55时各类土试验用料颗粒曲线 IWHR 2 2土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 2.2 小于小于5mm颗粒含量对渗透性影响分析颗粒含量对渗透性影响分析 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.1110100 颗粒直径mm 小于某粒径之百分数 试验5 试验6 试验7 试验8 图 2 5mm 的含量为 35时各类土试验用料颗粒曲线 IWHR 2 2土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 2.2 小于小于5mm颗粒含量对渗透性影响分析颗粒含量对渗透性影响分析 表 1 各类试样的渗透特性试验结果 试验 编号 5mm 含量/％ 0.1mm 含 量/％ 20 d /mm d  / 3 /cmg n /％ k10 -3 /cm/s 2.13 20 3.13 2.15 19 1.18 试验 1 55 10 0.35 2.00 25 7.04 2.15 19 9.8 试验 2 55 7 0.80 2.01 24 12.2 试验 3 55 5 1.10 2.11 20 27.0 试验 4 35 5 1.35 2.15 19 8.82 2.17 20 0.44 试验 5 55 10 0.30 2.17 20 0.76 试验 6 35 5 1.00 2.22 19 4.01 2.32 15 3.74 2.32 15 1.05 2.28 15 1.28 试验 7 35 10 0.72 2.22 19 5.28 2.18 20 31.5 试验 8 35 0 1.35 2.22 19 26.3 IWHR 2 2土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 2.2 小于小于5mm颗粒含量对渗透性影响分析颗粒含量对渗透性影响分析 1）哈增公式（1911） 粒径小于粒径小于5mm颗粒的含量虽相同，随着小颗粒的含量虽相同，随着小5mm颗粒颗粒 含量的增加，它的细粒料组成的变化范围增大，致使各含量的增加，它的细粒料组成的变化范围增大，致使各 试样的渗透系数差别很大。当粒径小于试样的渗透系数差别很大。当粒径小于5mm颗粒含量颗粒含量 为为55，小于，小于5mm的颗粒组成不同时渗透系数可相差的颗粒组成不同时渗透系数可相差2 个数量级。个数量级。 小于小于5mm的颗粒含量不能准确地反映土的渗透系数。的颗粒含量不能准确地反映土的渗透系数。 各类粗粒土的渗透系数主要决定于各类粗粒土的渗透系数主要决定于70后，混合体的渗透系数即为中砂后，混合体的渗透系数即为中砂 的渗透系数。的渗透系数。 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 3 3渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3.1 渗透试验超粒径处理方法优缺点渗透试验超粒径处理方法优缺点 剔除法剔除法 混合法混合法 等量替代法等量替代法 相似级配法相似级配法 由于剔除法和混合法在渗透试验缩尺中将大大改变细粒含量由于剔除法和混合法在渗透试验缩尺中将大大改变细粒含量，，这这 两种方法在渗透试验中基本不使用两种方法在渗透试验中基本不使用。。 相似级配法尽管能保持土体不均匀系数相似级配法尽管能保持土体不均匀系数Cu不变不变，，但改变了细粒含但改变了细粒含 量量，，对渗透系数将产生影响对渗透系数将产生影响。。 对于等量替代法对于等量替代法，，规程建议规程建议5mm细粒含量不变细粒含量不变，，超径部分根据超径部分根据 仪器直径确定代替土的仪器直径确定代替土的d85粒径粒径，，然后等量代替然后等量代替。。 IWHR 3 3渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3.2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 由于由于30细粒含量是影响渗透系数的重要因素细粒含量是影响渗透系数的重要因素，，当当 5mm细粒含量小于细粒含量小于30％％时时，，用这种等量替代法将影响用这种等量替代法将影响 d20的含量的含量，，将改变渗透系数将改变渗透系数。。 渗透试验试样应尽量采用原级配曲线渗透试验试样应尽量采用原级配曲线，，若受仪器尺寸若受仪器尺寸 的影响需进行缩尺处理时的影响需进行缩尺处理时，，应遵循尽量保持应遵循尽量保持30％％细粒细粒 含量不变的原则含量不变的原则，，对一定含量的超径颗粒采用等量替法对一定含量的超径颗粒采用等量替法 处理处理，，保证做到保证做到30的细粒含量不变的细粒含量不变。。 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 4 4不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.11101001000 颗粒直径mm 小于某粒径之百分数 S1 S2 S3 S4 图 4 原级配及缩尺后试验级配曲线 第一种缩尺方法是第一种缩尺方法是20mm细粒含量不变的细粒含量不变的 等量替代法，即对超过等量替代法，即对超过60mm的颗粒用的颗粒用 2060mm等量替代（级配曲线等量替代（级配曲线S2）。）。 第二种缩尺方法是第二种缩尺方法是5mm细粒含量不变的等细粒含量不变的等 量替代法，即对超过量替代法，即对超过60mm的颗粒用的颗粒用560mm 等量替代（级配曲线等量替代（级配曲线S3）。）。 第三种缩尺方法是相似级配法，即满足不均第三种缩尺方法是相似级配法，即满足不均 匀系数不变的方法，两曲线的不均匀系数为匀系数不变的方法，两曲线的不均匀系数为18，， 将最大粒径按将最大粒径按4倍缩尺（级配曲线倍缩尺（级配曲线S4）。）。 表 2 原级配及缩尺后试验级配曲线特征粒径 级配 曲线 85 d /mm 20 d /mm 15 d /mm 10 d /mm u C 5mm 含量/ S1 100.0 6.5 4.1 2.5 18.0 17.0 S2 48.0 6.5 4.1 2.5 12.0 17.0 S3 45.0 5.7 4.1 2.5 10.0 17.0 S4 26.0 1.6 1.0 0.6 18.0 38.0 IWHR 4 4不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 表 3 原级配及缩尺后渗透试验结果表 级配曲线编 号 干密度 /g/cm3 渗透系数 k20 /cm/s S2 2.10 9.5 10-1 S3 2.10 7.3 10-1 S4 2.10 6.6 10-2 采用相似级配法，渗透系数明显减小，相差一个数采用相似级配法，渗透系数明显减小，相差一个数 量级之多，显然该方法是不合理的。量级之多，显然该方法是不合理的。 IWHR 4 4不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.11101001000 颗粒直径mm 小于某粒径之百分数 SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 图 5 原级配及缩尺后试验级配曲线 SC1为原级配曲线为原级配曲线 SC2只代替只代替30的粗颗粒的粗颗粒，，70的细粒的细粒 不变不变 SC3为规程推荐的等量替代法为规程推荐的等量替代法，，其结果其结果 是保持是保持15的细颗粒含量不变的细颗粒含量不变，，以上部分以上部分 按相应的比例缩小按相应的比例缩小，，但但30的粒径缩尺只的粒径缩尺只 1.3倍倍，，变化不大变化不大 SC4为最大粒径按为最大粒径按2倍缩尺的相似级配法倍缩尺的相似级配法 SC5为最大粒径按为最大粒径按4倍缩尺的相似级配法倍缩尺的相似级配法。。 表 4 原级配及缩尺后渗透试验结果表 级配曲线 编号 渗透仪直径 /cm 渗透系数 k20 /cm/s Rs SC1 94.0 1.94 10-1 1.00 SC2 60.0 2.30 10-1 1.19 SC3 60.0 2.37 10-1 1.22 SC4 60.0 3.62 10-2 0.19 SC5 32.0 2.00 10-2 0.10 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 5 5不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5.1试验结果分析试验结果分析 （（1）不同的缩尺方法造成试验级配不同，从而影响渗透系数；）不同的缩尺方法造成试验级配不同，从而影响渗透系数； （（2）采用相似级配法缩尺后，这种缩尺方法后测得的渗透系数）采用相似级配法缩尺后，这种缩尺方法后测得的渗透系数 明显低于保持细粒含量不变的缩尺方法得到渗透系数，相差约明显低于保持细粒含量不变的缩尺方法得到渗透系数，相差约 10倍。主要原因在于级配曲线跟原级配曲线差异较大，虽然倍。主要原因在于级配曲线跟原级配曲线差异较大，虽然Cu 保持不变，但细粒含量及细粒粒径均产生了很大的变化，进一步保持不变，但细粒含量及细粒粒径均产生了很大的变化，进一步 表明，决定渗透系数的主要因素是细粒粒径，而细粒含量是影响表明，决定渗透系数的主要因素是细粒粒径，而细粒含量是影响 渗透系数的重要因素。缩尺倍数越大，差异就越大。因此，渗透系数的重要因素。缩尺倍数越大，差异就越大。因此，相似相似 级配法常用于力学强度试验，但不适用于渗透试验。级配法常用于力学强度试验，但不适用于渗透试验。 IWHR 5 5不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5.1试验结果分析试验结果分析 （（3）等量代替法只要保证）等量代替法只要保证30的细粒粒径不变，其渗透性与原的细粒粒径不变，其渗透性与原 级配可以达到基本相一致。若保证有级配可以达到基本相一致。若保证有40的细颗粒粒径不变，则的细颗粒粒径不变，则 可保证用等量代替法求得的渗透系数与原级配相一致。可保证用等量代替法求得的渗透系数与原级配相一致。 IWHR 5 5 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5.2 等量代替方法结果综合分析等量代替方法结果综合分析 已有研究结果表明，粗粒土的性质，可由已有研究结果表明，粗粒土的性质，可由30的粒径的粒径 含量将其分为粗粒和细粒两部分，其中含量将其分为粗粒和细粒两部分，其中70是粗粒，按是粗粒，按 照建议，等量代替法只能采用适合仪器尺寸的较小粒径照建议，等量代替法只能采用适合仪器尺寸的较小粒径 相代替，粗粒代替量只占相代替，粗粒代替量只占60 ; 粗粒土中将粗粒中的粗粒土中将粗粒中的60由较细的粒径来代替，不会由较细的粒径来代替，不会 影响粗粒土的孔隙尺寸，亦即不会影响粗粒土的本身的影响粗粒土的孔隙尺寸，亦即不会影响粗粒土的本身的 渗透系数，因而不会影响整个混合料的原始渗透系数。渗透系数，因而不会影响整个混合料的原始渗透系数。 IWHR 汇报内容汇报内容 2 渗透试验缩尺的原则与方法渗透试验缩尺的原则与方法 3 不同缩尺方法渗透试验结果不同缩尺方法渗透试验结果 4 1 土中细颗粒对渗透系数的主导作用土中细颗粒对渗透系数的主导作用 不同缩尺方法渗透试验结果分析不同缩尺方法渗透试验结果分析 5 小结小结 6 引言引言 IWHR 6 6 小结小结 （（1））由于剔除法和混合法在渗透试验缩尺中将大大由于剔除法和混合法在渗透试验缩尺中将大大 改变细粒含量改变细粒含量，，这两种方法在渗透试验中基本不使这两种方法在渗透试验中基本不使 用用。。 （（2））采用相似级配法缩尺后测得的渗透系数明显低于原级采用相似级配法缩尺后测得的渗透系数明显低于原级 配土的渗透系数配土的渗透系数，，主要原因在于级配曲线中细粒的颗粒组成主要原因在于级配曲线中细粒的颗粒组成 跟原级配曲线差异较大跟原级配曲线差异较大，，缩尺倍数越大缩尺倍数越大，，细粒的组成差异就细粒的组成差异就 越大越大。。因此因此，，相似级配法不适用于渗透试验相似级配法不适用于渗透试验。。 IWHR 6 6小结小结 （（3））土的渗透系数主要决定于土的颗粒组成土的渗透系数主要决定于土的颗粒组成，，特别是含量特别是含量 30的细粒的颗粒组成的细粒的颗粒组成。。为确保缩尺方法求得的渗透系数等为确保缩尺方法求得的渗透系数等 于原级配的渗透系数于原级配的渗透系数，，等量代替法必须至少保持等量代替法必须至少保持30的细颗粒的细颗粒 级配不变化级配不变化。。从安全可靠出发从安全可靠出发，，建议等量代替法最多只能代替建议等量代替法最多只能代替 60的粗颗粒的粗颗粒，，保证保证40的细粒粒径不变化的细粒粒径不变化。。 （（4））试验缩尺后的颗粒组成应是试验缩尺后的颗粒组成应是5d85等于试验仪器的最大粒等于试验仪器的最大粒 径径，，颗粒粒径颗粒粒径d40试 试d40原原。 。 IWHR