不同粒径级砂性土渗透特性试验研究

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砂性土是指粗粒类土中砾粒组质量小于等于总质量50%的无粘性土,其粒径区间主要分布在0.075-2mm左右,广泛分布于我国江、河、沙漠地区。天然砂土的主要构成成份为粒径大小不同的砂粒以及少量粉粒和粘粒,粒状组成使得砂性土具有压缩模量大、抗剪强度高的优点;在结构性上,砂性土比表面积较小,孔隙尺寸较大,因而其还具有良好的渗透性。良好的力学性能和水力学性能使得砂土广泛应用于建筑工程、水利工程等诸多工程领域,但良好的渗透性也为实际工程带来了诸多的安全性隐患,比如基坑开挖过程中的管涌、流砂,土石坝设计过程中的渗透稳定性问题等诸多水力学问题,因而针对砂土渗透性的相关研究具有重要意义。国内外学者针对天然无粘性土的渗透性有过诸多研究,从工程实践、试验研究、理论推导三个方面讨论了渗透性的相关影响因素,并给出理论性或经验性公式,其中较为典型的有国外的Kozeny–Carman公式、国内南京水利水电科学院的刘杰公式,这些研究对于推动渗流学科领域的发展以及指导工程实践都具有重要意义。本文基于前人的研究,首先理论上以传统渗透模型为基础推导出渗透系数的理论表达式,而后在粒径级层面通过常水头渗透试验研究了砂性土渗透性的影响因素。整个试验首先以单一粒径级为研究对象,在粒径级层面研究了砂土渗透系数的相关影响因素,并在此基础上基于多粒径混合料的试验讨论了级配对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终通过回归分析,拟合各参数建立新的渗透系数模型便于工程实践参考使用,本文主要结论如下:(1)对于单一粒径级的砂土,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,渗透系数与二者具有良好的线性正相关性。(2)对于天然砂土,等效粒径、孔隙率、曲率系数、不均匀系数对渗透系数都有着一定程度的影响,其中尤以等效粒径对渗透系数的影响较大,等效粒径的变化能导致渗透系数量级上的差异。这四个参数与渗透系数都存在着较好的线性正相关性。(3)综合考虑渗透系数的四个影响因素,通过线性回归分析,拟合出经验性渗透系数计算公式:K=C·(n~3)/((1-n)~2)·d_a~2C_u·C_c,便于工程实践中估算天然砂土渗透系数和配制有特定渗透性要求的砂土时使用。
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