一种粗粒土渗透试验的缩尺方法

技术领域

本发明属于土工试验领域，具体涉及一种粗粒土渗透试验的缩尺方法。

背景技术

粗粒土是指试样中粒径介于0.075mm～60mm的粗粒组的质量百分含量超过50％的土。这类土具有级配宽、粗细颗粒粒径差别显著、不均匀性强等特点，在水利水电工程中经常遇到，如作为坝基的深厚覆盖层土料以及各类土石坝堆石料等。作为地基基础或大坝填筑材料，粗粒土的渗透系数及抗渗强度是大坝防渗设计的重要参数，这些参数一般通过室内渗透试验确定，这些参数是否可靠，能否真实反映现场实际土料的渗流特性是决定大坝安全的关键。现场粗粒土料的最大粒径可达600mm～800mm，而室内渗透试验常用的试样直径一般小于300mm，极少数达到600mm～900mm，为了使试验成果不受土料粒径大小影响，土料最大粒径必须控制在试样直径的1/5以下，如果试样直径300mm，那么室内试验允许最大粒径仅为60mm，土料中粒径超过60mm的颗粒，即超粒径颗粒，就需要按照相应的缩尺方法进行处理，而采用的缩尺方法的合理性，直接决定着试验结果的可靠性，也间接影响着大坝安全。因此，缩尺方法的研究应该是所有粗粒土渗透试验研究的基础，具有非常重要的理论意义及工程应用价值。现行土工试验规程(SL237-1999)基于力学强度等效的研究成果，提供了剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种超粒径颗粒处理的缩尺方法，但在条文说明中也明确指出“对于渗透变形等试验，4种缩尺处理方法是否可参照进行，尚有待于试验验证”，这也说明目前并没有一种合理可靠的粗粒土渗透试验缩尺方法。

因此，如何提出一种适用于粗粒土渗透试验的缩尺方法，成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种粗粒土渗透试验的缩尺方法，本发明对实际粗粒土进行缩尺处理后，试验级配的渗透破坏型式与原级配一致，试验级配的渗透性、渗透变形临界及破坏坡降等关键渗透特性指标均与原级配接近，即试验级配的渗透相关特性能够代表反映原级配的渗透相关特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种粗粒土渗透试验的缩尺方法，包括以下步骤：

S01.根据现场粗粒土颗粒级配曲线，即原级配，确定原级配中粒径小于5mm的颗粒质量百分含量；

S02.根据渗透试验仪器的尺寸确定仪器允许最大粒径与超粒径，仪器允许最大粒径一般为仪器直径的1/5～1/6；超粒径颗粒是指粗粒土中大于仪器允许最大粒径的土颗粒；

S03.当粗粒土原级配中粒径小于5mm的颗粒质量百分含量大于等于30％，则根据原级配曲线，确定P

S04.当原级配中粒径小于5mm的颗粒质量百分含量大于等于30％，则利用公式(1)，将原级配中仪器允许最大粒径与超粒径之间的颗粒，按比例等质量替换成仪器允许最大粒径与5mm之间的土粒；当原级配中小于5mm的颗粒含量小于30％，则利用公式(2)，将原级配中仪器允许最大粒径与超粒径之间的颗粒，按比例等质量替换成仪器允许最大粒径和原级配d

P

P

式中：P

S05.基于公式(1)或公式(2)计算得到的P

进一步的，制备试样时，要控制试样的初始含水率，避免出现粗细颗粒分离现象，保证每层填筑级配相同。

进一步的，为减小壁面效应，仪器的壁面要均匀涂抹凡士林，壁面附近土料进行额外击实。

进一步的，仪器所有测压管探头均放置在试样中心。

进一步的，尽量避免大石块出现在壁面附近，避免人为形成薄弱面。

本发明的有益效果为：

本发明提出的一种合理可靠的粗粒土渗透试验缩尺方法，采用该方法对实际粗粒土进行缩尺处理后，试验级配的渗透破坏型式与原级配一致，试验级配的渗透性、渗透变形临界及破坏坡降等关键渗透特性指标均与原级配接近，即试验级配的渗透相关特性能够代表反映原级配的渗透相关特性。

附图说明

图1为本发明缩尺方法步骤示意图；

图2为本发明某深厚覆盖层A土体原级配及缩尺后试验级配对比；

图3为本发明某深厚覆盖层B土体原级配及缩尺后试验级配对比；

图4为本发明某深厚覆盖层C土体原级配及缩尺后试验级配对比；

图5为本发明T1～T2原级配及试验级配的渗透试验级配对比图；

图6为本发明T3～T5原级配及试验级配的渗透试验级配对比图；

图7为本发明T1原级配渗透试验lgi-lgv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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种粗粒土渗透试验的缩尺方法，遵循缩尺前后保持颗粒级配中30％以下和5mm以下的颗粒含量及其组成不变的原则，同时充分考虑实际粗粒土的颗粒级配特征：

根据现场粗粒土颗粒级配曲线，即原级配，确定原级配中粒径小于5mm的颗粒质量百分含量。

根据渗透试验仪器的尺寸确定仪器允许最大粒径与超粒径，仪器允许最大粒径一般为仪器直径的1/5～1/6；超粒径颗粒是指粗粒土中大于仪器允许最大粒径的土颗粒。

如果原级配中<5mm的颗粒含量大于等于30％，此时利用给出的公式(1)，将原级配中仪器允许最大粒径与超粒径之间的颗粒，按比例等质量替换成仪器允许最大粒径与5mm之间的土粒。经等量替代后，试验级配中质量百分含量<30％或者粒径<5mm的颗粒的含量及其组成与原级配保持一致。

P

式中：P

如果原级配中<5mm的颗粒含量小于30％，缩尺遵循保持30％含量及组成不变的原则，利用本文给出的公式(2)，将原级配中仪器允许最大粒径与超粒径之间的颗粒，按比例等质量替换成仪器允许最大粒径和原级配d

Pi＝P

式中：P

实施例1

图1-图4给出了某流域深厚覆盖层土体原级配及按照本发明提出的缩尺方法进行等量替代后的试验级配对比情况。对于A土，原级配中<5mm的颗粒含量为41.3％，d

对于B土，原级配中5mm以下颗粒含量为15.7％，d

对于C土，原级配中5mm以下颗粒含量为11％，d

实施例2

为了验证本发明所提出的一种粗粒土渗透试验缩尺方法的可靠性，从某水电站坝址区采集了5种粗粒土，并开展了10组渗透试验，基于试验结果验证了新提出的缩尺方法。具体详述如下：

如图5-6所示，试验土料取自西南某水电站坝址区，共计5种土体，其中，T1和T2为碎(卵)砾石土，呈灰绿色或灰黄色，碎(卵)石成份为闪长岩、花岗岩，次棱角状为主，间有次圆～圆状，碎(卵)石粒径多为10mm～40mm及60mm～80mm，约占30％～40％；砾石粒径多＜10mm，次棱角状，约占10％～20％；余为粉砂土。结构较密实，相对密度0.85左右。T3、T4和T5同均为卵(碎)砾石土，粗颗粒成分以弱风化花岗岩、闪长岩为主，少量辉绿岩，次圆～次棱角状。卵(碎)石粒径以30mm～80mm为主，约占35％～45％；砾石粒径5mm～10mm，含量约15％～25％；细粒以粉细砂或粉土为主，含量约20％～25％，结构较密实，相对密度在0.79左右。T1～T5土体的原级配，按照前述缩尺方法处理得到相应的试验级配。渗透试验的填筑相对密度按照现场实际控制，即T1和T2原级配和试验级配的相对密度均为0.85，T3～T5原级配和试验级配的相对密度均为0.79。

渗透试验采用常规渗透试验装置，试样直径分别为460mm和250mm，试验条件如表1所示。T1～T5原级配的颗粒最大粒径为80mm，渗透试验试样直径460mm，试样直径D试与T1～T5原级配最大粒径的比值介于5.75～7.67，满足土工试验规程(SL237-1999)规定的“土料的最大粒径必须控制在试样直径的1/5以下”的要求。类似的，T1～T5试验级配的最大粒径40mm，试样直径250mm，试样直径与T1～T5试验级配最大粒径的比值为6.25，满足土工试验规程(SL237-1999)规定的“土料的最大粒径必须控制在试样直径的1/5以下”的要求。因此，T1～T5原级配及试验级配的渗透试验结果均不会受到土料粒径大小的影响，试验具有可重复性。

表1渗透试验条件

粗粒土中粗细颗粒差别显著，一旦土料配制搅拌及试样填筑过程控制不好，会造成粗细颗粒分离，影响渗透试验结果的可靠性。此外，仪器刚性壁面是试样薄弱位置，如处理不好，渗透水流容易在接触面形成接触冲刷，产生优势渗漏通道，从而不经过试样内部，直接与下游侧贯通，最终导致试验结果失真。针对上述问题，在试样填筑过程中，初始含水率要恰到好处，避免出现粗细颗粒分离现象，保证每层填筑级配近似相同。

为减小壁面效应，采取了多种有效措施：(a)对比研究了刚性壁面涂抹凡士林和黏土泥浆的应用效果，研究表明，壁面均匀涂抹一定厚度的凡士林，可有效减小壁面效应；(b)壁面附近土料进行额外击实；(c)所有测压管探头均放置在试样中心，主要依据测压管数据分析确定土体临界和破坏坡降，壁面试验现象仅作为判别辅助依据；(d)尽量避免大石块出现在壁面附近，避免人为形成薄弱面。

渗透变形特征坡降，包括临界坡降和破坏坡降，利用土工试验规程(SL237-1999)《粗颗粒土的渗透及渗透变形试验》(SL237-056-1999)规定的试样平均坡降i和渗流速度v双对数曲线lgi-lgv确定。

渗透系数可根据lgi-lgv曲线直线段上的试验点的渗透系数平均值加以确定。

这里分别从缩尺前后土体渗透破坏型式、渗透系数、渗透变形特征坡降等3个角度说明提出的缩尺方法的有效性。

图7给出了T1原级配渗透试验lgi-lgv曲线，基于该曲线可以确定临界坡降和破坏坡降，也可以确定渗透系数，同时，可结合试验现象，判别渗透破坏型式。从图7可以看出，lgi-lgv曲线的演化大致分为3段：AB段、BD段及DE段。AB段曲线近似呈线性，表明此阶段未发生明显的渗透变形，因此，可通过AB段的3个典型试验点的渗透系数的平均值确定T1原级配的渗透系数，约为1.0×10

按照上述方法，分别确定了其他试验的渗透破坏型式、渗透系数及渗透变形特征坡降，分别列于表2～4。

表2给出了5种土体原级配和缩尺后试验级配渗透破坏型式的统计结果。从表2可以看出，缩尺前后，土体渗透破坏的型式不变，T1和T3均为流土破坏，T2、T4和T5均为管涌破坏。其实，这一结果也可从级配曲线上反映出来，比如，T1和T3土体中，粒径<5mm的颗粒百分含量分别达到60％和65％，骨架孔隙不仅完全被<5mm的颗粒所填满，甚至完全被这些颗粒所包裹，因此，这类土体通常会发生流土破坏。

表2缩尺前后土体渗透破坏型式统计

由此可见，经过缩尺处理后，5种宽级配粗粒土的渗透破坏型式均未发生变化，试验级配的渗透破坏类型能够反映原级配的渗透破坏类型。

表3给出了5种土体原级配和缩尺后试验级配渗透系数的统计结果。从表3可以看出，对于同一土体而言，原级配和缩尺后试验级配的渗透系数比较接近，均在同一个量级上，整体趋势是试验级配的渗透系数略大于原级配，试验与原级配渗透系数的比值介于0.6～3.1，由于当渗透系数相差2倍以内时，可认为两种级配渗透性基本相当，由此可见，经过缩尺处理后，5种粗粒土的渗透系数均未发生明显变化，试验级配的渗透性可以代表原级配的渗透性。

表3缩尺前后土体渗透系数统计

此外，需要说明的是，本文试验测得的渗透系数已消除了尺寸效应。朱国胜等研究发现：试样直径D

表4给出了5种土体原级配和缩尺后试验级配渗透破坏特征坡降的统计结果。从表4可以看出，试验级配的临界坡降和破坏坡降整体上均略大于原级配相应坡降。试验级配临界坡降与原级配临界坡降的比值介于0.97～1.5之间，相应的破坏坡降的比值介于0.97～1.71之间，其中，临界坡降和破坏坡降差别最大的就是T2和T5级配，这是因为这两个级配的渗透性均很强，临界坡降和破坏坡降太小，如T5原级配的渗透系数达到0.65cm/s，破坏坡降仅为0.02，对于这类土体，渗透试验加载及测量等均存在很大困难，试验结果可能存在一定误差。而对于渗透性较小的T1和T3级配，原级配和试验级配临界坡降和破坏坡降的差别均较小。

T2和T5的试验结果主要是由颗粒级配组成决定的。如T2中，粗颗粒含量高，5mm以上颗粒占77.7％，粒径小于0.5mm的颗粒仅占5％，粒径小于0.075mm的颗粒仅占0.3％，大量的孔隙中基本无细颗粒填充。因此，导致T2渗透性很强，特征坡降很小。

表4缩尺前后土体渗透变形特征坡降统计

综上可以看出，经过缩尺处理后，5种粗粒土的渗透破坏型式均未发生变化，渗透系数未发生明显变化，渗透变形临界坡降和破坏坡降也与原级配基本一致，因此，试验级配的渗透相关特性能够代表反映原级配的渗透相关特性，本发明提出的缩尺方法是有效的。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。