本發(fā)明涉及地質(zhì)工程技術領域，特別是涉及重塑非飽和粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)的測量及驗證方法。

背景技術：

非飽和土體是一種由水、氣體及固體顆粒等多相體系組成的多孔介質(zhì)，特別是由于其中氣相界面的存在，使非飽和土的滲透特性與飽和土有明顯的不同。由于有基質(zhì)吸力的存在，非飽和土的滲透系數(shù)不能用常規(guī)的試驗的方法確定。非飽和土的滲透系數(shù)，長期以來大都是利用土水特征曲線間接求得，但是其準確度卻無法保證。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了重塑非飽和粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)的測量及驗證方法，可以解決現(xiàn)有技術中存在的問題。

重塑非飽和粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)的測量及驗證方法，所述方法包括以下步驟：

制取試樣，根據(jù)非飽和土實際狀態(tài)，控制土試樣的密度在一定值，采用分三層層壓實法配置多種質(zhì)量含水量的試樣；

間接測量，使用改進的三軸壓力室在多種不同圍壓下測量不同質(zhì)量含水量土試樣的孔隙水壓和孔隙氣壓，待每一級質(zhì)量含水量、每一級圍壓下測得的孔隙氣壓和孔隙水壓穩(wěn)定后，記錄所述孔隙氣壓和孔隙水壓；

繪制特征曲線，得到不同質(zhì)量含水量下土試樣的孔隙氣壓和孔隙水壓后，根據(jù)孔隙氣壓和孔隙水壓求得每一級質(zhì)量含水量的土試樣的基質(zhì)吸力值，然后將定圍壓下的質(zhì)量含水量和對應的基質(zhì)吸力值繪制成土-水特征曲線，同時也把飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量以及對應的基質(zhì)吸力值作為上下界限值點繪制在所述土-水特征曲線上；

三次樣條插值，用三次樣條對所述土-水特征曲線進行插值，得到一條插值曲線，在飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量之間將質(zhì)量含水量數(shù)值m等分，得到相應等分點處的質(zhì)量含水量和基質(zhì)吸力值；

滲透系數(shù)計算，將上面獲得的各項數(shù)據(jù)帶入以下公式，計算在飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量之間等分點處質(zhì)量含水量對應的滲透系數(shù)：

其中，kw(θw)i為第i間段的質(zhì)量含水量θw對應的滲透系數(shù)，第i＝1間段表示和飽和質(zhì)量含水量相鄰的段，第i＝m間段表示和最小質(zhì)量含水量相鄰的段，ks為實測飽和滲透系數(shù)，kse為計算飽和滲透系數(shù)，ts為水表面張力，ρw為水密度，g為重力加速度，μw為水的絕對粘度，θs為飽和質(zhì)量含水量，p為考慮不同尺寸孔隙間相互作用的常數(shù)，本實施例中取2，n為飽和質(zhì)量含水量和零質(zhì)量含水量之間的計算間斷的總數(shù)，(μa-μw)j為對應于第i間段中點的基質(zhì)吸力；

直接測量，使用三軸壓力室測量定圍壓下不同質(zhì)量含水量的土試樣的滲透系數(shù)；

試驗結(jié)果驗證，將間接法計算得到的滲透系數(shù)和直接法測量得到的滲透系數(shù)進行比較，如果二者的誤差在一定范圍內(nèi)，則說明間接法計算得到的滲透系數(shù)真實可靠。

本發(fā)明實施例中的重塑非飽和粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)的測量及驗證方法，利用非飽和土的三軸儀，采用了直接法和間接法研究了非飽和重塑粉質(zhì)粘土的滲透系數(shù)進行試驗研究。結(jié)果表明，非飽和土的滲透系數(shù)可以通過間接法推導和直接法測量加以確定。通過該試驗，不但實現(xiàn)了非飽和土滲透系數(shù)的直接測量，而且也驗證了間接法測量的滲透系數(shù)的可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是間接法測量滲透系數(shù)使用的三軸壓力室結(jié)構(gòu)圖；

圖2是使用圖1中三軸壓力室測得的各圍壓下的質(zhì)量含水量-基質(zhì)吸力關系曲線；

圖3是直接法測量滲透系數(shù)使用的三軸壓力室結(jié)構(gòu)圖；

圖4是使用圖3中三軸壓力室測得的各圍壓下的基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關系曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供了一種重塑非飽和粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)的測量及驗證方法，所述方法包括：

制取試樣，根據(jù)非飽和土實際狀態(tài)，控制土試樣的密度在一定值，采用分三層層壓實法配置多種質(zhì)量含水量的試樣；

間接測量，使用如圖1所示的改進的三軸壓力室在多種不同圍壓下測量不同質(zhì)量含水量土試樣的孔隙水壓和孔隙氣壓，待每一級質(zhì)量含水量、每一級圍壓下測得的孔隙氣壓和孔隙水壓穩(wěn)定后，記錄所述孔隙氣壓和孔隙水壓；

所述改進的三軸壓力室主要包括兩部分：(1)加壓系統(tǒng)：由內(nèi)外壓力室組成，內(nèi)壓力室位于外壓力室內(nèi)部，且內(nèi)壓力室注水，外壓力室充氣，所述內(nèi)外壓力室均安裝在底座上，內(nèi)壓力室內(nèi)部用橡皮膜包裹土試樣，土試樣上方具有透水石，下方具有陶土板，包裹所述土試樣和透水石、陶土板的橡皮膜底部安裝在底座上，橡皮膜上方通過連桿與位于外壓力室外部的荷重傳感器連接，所述內(nèi)外壓力室用來施加圍壓和反壓，內(nèi)壓力室和外壓力室中的壓力相等，以消除內(nèi)壓力室的變形對體變測量產(chǎn)生的誤差；(2)測量系統(tǒng)：透水石上安裝氣壓傳感器，陶土板上安裝孔隙水傳感器，分別用于測量孔隙氣壓和孔隙水壓。

繪制特征曲線，得到不同質(zhì)量含水量下土試樣的孔隙氣壓和孔隙水壓后，根據(jù)孔隙氣壓和孔隙水壓求得每一級質(zhì)量含水量的土試樣的基質(zhì)吸力值，然后將定圍壓下的質(zhì)量含水量和對應的基質(zhì)吸力值繪制成土-水特征曲線，同時也把飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量以及對應的基質(zhì)吸力值作為上下界限值點繪制在所述土-水特征曲線上。

三次樣條插值，用三次樣條對所述土-水特征曲線進行插值，得到一條插值曲線，在飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量之間將質(zhì)量含水量數(shù)值m等分，得到相應等分點處的質(zhì)量含水量和基質(zhì)吸力值。

滲透系數(shù)計算，將上面獲得的各項數(shù)據(jù)帶入以下公式，計算在飽和質(zhì)量含水量和最小質(zhì)量含水量之間等分點處質(zhì)量含水量對應的滲透系數(shù)：

其中，kw(θw)i為第i間段的質(zhì)量含水量θw對應的滲透系數(shù)，第i＝1間段表示和飽和質(zhì)量含水量相鄰的段，第i＝m間段表示和最小質(zhì)量含水量相鄰的段，ks為實測飽和滲透系數(shù)，kse為計算飽和滲透系數(shù)，ts為水表面張力，ρw為水密度，g為重力加速度，μw為水的絕對粘度，θs為飽和質(zhì)量含水量，p為考慮不同尺寸孔隙間相互作用的常數(shù)，本實施例中取2，n為飽和質(zhì)量含水量和零質(zhì)量含水量之間的計算間斷的總數(shù)，(μa-μw)j為對應于第i間段中點的基質(zhì)吸力。

直接測量：使用如圖3所示的三軸壓力室測量定圍壓下不同質(zhì)量含水量的土試樣的滲透系數(shù)，圖中所述三軸壓力室主要包括：(1)加壓系統(tǒng)：由壓力室組成，用來施加圍壓和反壓，壓力室安裝在底座上，其中注水，壓力室內(nèi)部使用橡皮膜包裹土試樣，土試樣上方和下方均安裝陶土板，包裹所述土試樣和陶土板的橡皮膜底部安裝在底座上，橡皮膜上方通過連桿與位于壓力室外部的荷重傳感器連接，位于土試樣上方的陶土板上安裝進氣口和出水口，下方的陶土板上安裝出氣口和進水口；(2)測量系統(tǒng)：位于土試樣上方的陶土板上安裝氣壓傳感器，下方的陶土板上安裝水壓傳感器，分別用于測量氣壓和水壓。

試驗結(jié)果驗證，將間接法計算得到的滲透系數(shù)和直接法測量得到的滲透系數(shù)進行比較，如果二者的誤差在一定范圍內(nèi)，則說明間接法計算得到的滲透系數(shù)真實可靠。

下面通過試驗進行驗證：

本試驗所取土體為黃河大堤濮陽段的壓實粉質(zhì)粘土，其物理力學性質(zhì)指標見表1。在試樣配置的過程中，根據(jù)非飽和土實際狀態(tài)，嚴格控制土試樣的干密度為1.51g/cm³，采用分三層層壓實法配置質(zhì)量含水量為5％、10％、15％、20％、25％的土試樣。在50kpa、100kpa、200kpa、300kpa、400kpa不同的圍壓下量測量上述不同質(zhì)量含水量土試樣的孔隙水壓和孔隙氣壓。每一級質(zhì)量含水量、每一級圍壓下測得的孔隙氣壓和孔隙水壓的差值必須是穩(wěn)定，穩(wěn)定標準是：體變連續(xù)2小時不超過0.01cm³，且歷時不少于48小時。

表1黃河下游大堤濮陽段堤身及堤基粉質(zhì)粘土基本物理力學指標

根據(jù)上述試驗方法，得到不同含水率的孔隙水壓力和孔隙氣壓力見表2。

根據(jù)試驗測得的不同質(zhì)量含水量不同圍壓下穩(wěn)定的孔隙水壓力和孔隙氣壓力，可以很容易得到每一組含水量下的基質(zhì)吸力值，繪制出土的含水量與基質(zhì)吸力的之間的關系曲線即土-水特征曲線見圖2，圖2中a～e依次為圍壓50kpa、100kpa、200kpa、300kpa、400kpa時的特征曲線，為得到所需的滲透系數(shù)做了良好的鋪墊。

表2不同含水率、不同圍壓下的孔隙水壓力與孔隙氣壓

以質(zhì)量含水量14.6％為例，直接法測量滲透系數(shù)的試驗步驟如下：

(1)準備工作，飽和陶土板、安裝試樣、給壓力室注水、密封壓力室。

(2)加壓，加圍壓到預定值50kpa，再加頂部氣壓到預定值35kpa，直到試樣底部氣壓也達到該值35kpa時，再在頂部和底部分別施加0kpa和20kpa的水壓(模擬水頭，其大小由試驗中具體情況確定)。當試樣的出水量和入水量相等時的水壓值和水量值進行計算，以求解相應于(σ-μa)和(μa-μw)分別為15kpa和20kpa的應力狀態(tài)下滲透系數(shù)。

試驗在較高的圍壓(σ-μa)下重復進行，在每一級凈圍壓(σ-μa)達到平衡后，量測孔隙水壓力，以得出新的基值吸力值，在建立每一新的應力狀態(tài)后，重復進行滲透試驗。

在凈周圍壓力(σ-μa)從15kpa增大到365kpa以及基值吸力從25kpa減小到0kpa的情況下，根據(jù)實驗，測得圍壓一定的情況下，滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關系，并采用v-g模型模擬了兩者之間的關系，實測與擬合結(jié)果見圖4，圖4中a～d依次為圍壓在50kpa、100kpa、200kpa、400kpa時的曲線。結(jié)果表明，當土試件壓縮和基值吸力減小時，水的滲透系數(shù)是增加的。

根據(jù)上述直接與間接兩種方法測定了非飽和土的滲透系數(shù)，為了驗證這兩種方法的準確性，以200kpa滲透系數(shù)為例，對兩組試驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果見表3。

表3直接法與間接法滲透系數(shù)誤差分析

根據(jù)表3的誤差分析可知，兩種測量方法最大相對誤差相對誤差不超過10.47％，滿足工程需要。

本領域內(nèi)的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域內(nèi)的技術人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。