生态多孔介质研究论文

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个人感觉，研究对象指实体，研究内容指关注的指标和现象。比方说研究课题：“流体在多孔介质中的流动”研究对象：流体（什么流体，粘性？非粘性？空气？液体？高温？低温），多孔介质（何种多孔介质）。研究内容：1.流体在多孔介质中所受到的阻力；2.流体在多孔介质中的润湿作用；3.流体在多孔介质中的速度分布。（注意，这里3个题目虽然研究对象没变，但是观察问题的角度变了，研究内容也就变了。）个人观点，仅供参考o(∩_∩)o

周中1 傅鹤林1 刘宝琛1 谭捍华2 龙万学2 罗强2

（1.中南大学土木建筑学院 湖南 长沙 410075

2.贵州省交通规划勘察设计研究院 贵州 贵阳 550001）

摘要 土石混合体属于典型的多孔介质，其渗透特性与砾石的百分含量关系密切。通过自制的常水头渗透仪，测定了不同含砾量时土石混合体渗透系数值，研究发现含砾量与土石混合体渗透系数之间存在指数关系；基于幂平均法，提出了土石混合体复合渗透系数的计算公式，并通过试验结果验证了该式的正确性，为土石混合体渗透系数的理论计算提供了一个简明有用的计算工具。

关键词 土石混合体 多孔介质 渗透性能 复合渗透系数 经验公式

土石混合体一般是由作为骨料的砾石或块石与作为充填料的粘土或砂组成，它是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体，是土和石块的介质耦合体［1］。因为土石混合体具有物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等特殊的性质，从而给研究带来极大的困难，目前人们对于它的研究仍处于探索之中［2］。渗透与强度和变形特性都是土力学中所要研究的主要力学性质，其在土木工程的各个领域都有重要的作用［3］。土石混合体属于典型的非均质多孔介质［4］，其渗透系数是由高渗透性的砾石和低渗透性的土体复合而成的。土的渗透系数可以通过室内试验由达西定理计算得出，然而土石混合体的渗透系数却难以确定，主要原因是：取样困难；难以进行常规的渗透试验；大尺度的渗透试验不仅造价高、准确性差，而且试验结果离散度大，难以掌握其规律性。因此能够求出土石混合体复合渗透系数的计算公式具有重要的理论意义和工程应用价值。

土石混合体中土与砾石粒径的界限值为5mm，即将粒径小于5mm的颗粒称为土、大于5mm的颗粒称为石，砾石含量用P5表示［1］。利用自制的常水头渗透仪，研究砾石体积百分含量P5从0%逐步过渡到100%（间隔10%）时土石混合体的渗透系数，每种配比作平行试验3次，共33次渗透试验。

1 土石混合体渗透性能试验

试样的基本物理力学性质

试验所取土样为正在修建的上瑞高速公路贵州段晴隆隧道出口处典型性土石混合体，其天然状态土的物理指标及颗粒级配曲线见表1和图1。由图1可知现场取回土样的不均匀系数Cu为，说明土样中包含的粒径级数较多，粗细粒径之间差别较大，颗粒级配曲线的曲率系数Cc为，级配优良。

表1 天然状态土的基本物理指标

图1 天然状态土的颗粒级配曲线

大型渗透仪的研制

《土工试验规程》（SL237—1999）规定粗粒土的室内渗透系数需由常水头渗透仪测试，国内常用的常水头渗透仪是70型渗透仪。70型渗透仪的筒身内径为，试验材料的最大粒径为2cm，规范［5］要求筒身内径应为最大粒径的8～10倍，因此70型渗透仪的筒身内径过小，有必要研制大尺寸的渗透仪。自制渗透仪的内径和试样高度至少应为最大颗粒粒径的8倍，即至少应为16cm，另外，考虑到边界效应，试样的上下两头分别增加2cm，因此，自制渗透仪的内径和试样高分别取为16cm和20cm。考虑到土石混合体的渗透性较强，选取进排水管的口径为2cm。自制的大型常水头渗透仪如图2和图3所示。

图2 自行研制的渗透仪

图3 常水头渗透仪示意图

数据单位为cm

试验步骤

首先，将由现场取回的土样烘干、过筛，并根据粒径的大小分为0～5 mm的土和5～20mm的砾石两部分。然后，按照试验要求的砾石体积百分含量P5，以10%的初始含水量配制试样，静置24 h。试验时，将配制好的试样分层装入圆桶中，每层装料厚度30mm左右，分层压实，记录每层的击实数。按上述步骤逐层装样，至试样顶部高出测压孔约3cm为止。测出装样高度，准确至。在试样顶部铺一层2cm厚的细砾石作缓冲层。之后，由进水管注入蒸馏水，直至出水孔有水流出，静置24 h使试样充分饱和。用量筒从渗透水出口测定渗透量，同时用温度计测量水温，用秒表测记经一定时间的渗水量，共测读6次，取其平均值，6次结果相差不得超过7%，否则需重新测定。

试验数据

按照试验设计的各种砾石体积百分含量P5共需作11组试验，每组试验作平行试验三次，取3次测量的平均值，并乘以温度校正系数 ，即可求出每组试验20℃时的渗透系数，渗透系数的测量结果见表2。

表2 渗透系数测定结果

2 试验结果分析

渗透系数与砾石含量的关系

不同含砾量的颗粒级配曲线如图4所示，由图4可以求出各曲线的粒径特征系数及不均匀系数Cu和曲率系数Cc。

图4 试样的颗粒级配曲线

图5为土石混合体砾石含量P5与20℃时渗透系数的关系曲线。从图5可以看出，随着含砾量的增加，渗透系数急剧增加，可见，在设计中可以通过调节砾石的含量来控制土石混合体的宏观渗透性能。

图5 粗粒含量与渗透系数的关系

从图5还可以发现，土石混合体中砾石的含量P5与渗透系数k之间存在指数关系，与文献［6］的研究成果相似，即

土石混合体

式中：k0为P5＝0时土的初始渗透系数；n为与土石混合体本身性质相关的常数。对于文中试验值，k0与n分别为和。在工程中可以通过少量试验来确定k0，n值，以此来预测不同级配土石混合体的渗透性。

土石混合体的复合渗透系数

近几十年来，许多学者在揭示影响和决定土的渗透系数内在因素及其相互关系方面进行了大量工作，并取得了有益的成果［7～12］，被认为依然有效且目前常用的确定渗透系数的半经验、半理论公式有：

（1）水利水电科学研究院公式［7］：

土石混合体

式中：k10，k20分别为温度为10℃和20℃时的渗透系数（cm/s）；η10/η20为温度为10℃和20℃的粘滞系数比；n为孔隙率；d20为等效粒径（mm）。

（2）泰勒（Taylor）［9］用毛管流的哈根-伯努力（Hange-Poiseuille）方程导出渗透系数的表达式：

土石混合体

式中：ds为当量圆球直径，可以用等效粒径d20代替；γw为液体容重；μ为液体粘滞度；e为孔隙比；C为形状系数，通常取C＝。

式（2）和式（3）均是针对土体的渗透特性提出的半经验、半理论公式，然而对于非均质性更强、粒径差别更大的土石混合体来说，其适用性不是很强。土石混合体中砾石形成骨架，细颗粒充填孔隙，其渗透系数是由低渗透介质土体的渗透系数kS和高渗透性介质砾石的渗透系数kG复合而成。土石混合体复合渗透系数不是按体积百分含量的简单复合，而是高低渗透性介质的耦合。在参考相关文献［10～12］的基础上，基于幂平均法，本文提出的土石混合体复合渗透系数k复合的表达式为

土石混合体

式中：P5为砾石的体积百分含量，%；kG为砾石的渗透系数，cm/s；kS为土的渗透系数，cm/s；f为系数。

砾石的体积百分含量P5可以由筛分法求出；土的渗透系数kS和砾石的渗透系数kG可以由室内试验直接求出或参考相关资料确定；系数f可以通过少量试验回归分析确定，因此可以说（4）式是一个简明实用的土石混合体复合渗透系数计算公式。

图6 不同计算方法结果比较

为进一步验证（4）式，我们将试验测得的k值与用（2），（3），（4）式计算得到的k值进行对比分析。结果见图6，具体数值见表3。由图6和表3可知据水利水电科学研究院公式和泰勒公式计算结果均高于实测值，尤其是当P5≤30%时，（2）式计算结果和（3）式计算结果比实测值大2～3个数量级，与实测值相差较大。而用本文方法得到的土石混合体的渗透系数最接近实测值，平均相对误差仅为，能够作为土石混合体渗透系数定量预测的有效工具。在工程设计中，可以根据工程对土石混合体渗透性的要求，依据本文提供的经验公式，调整土石混合体中砾石的含量，达到控制土石混合体渗透能力的目的。

表3 土石混合体渗透系数及相关参数

3 结论

（1）利用自制的常水头渗透仪，测定了不同含砾量时土石混合体的渗透系数值，并指出含砾量与土石混合体渗透系数之间存在指数关系。在工程设计中可以通过合理调整土石混合体中砾石的含量，达到控制其渗透性能的目的。

（2）指出土石混合体的渗透系数是一种由高渗透性的砾石和低渗透性的土体复合而成的，给出了土石混合体复合渗透系数的计算公式，并通过试验结果验证了计算公式的正确性，为土石混合体渗透系数的定量预测提供了一个简明有用的计算工具。

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