粗粒土渗透特性研究

摘要：本文以云南省东川蒋家沟泥石流粗粒土作为研究对象，研究了它的颗粒级配和渗透性，以改装后的渗透仪作为试验设备，得到了粗粒土的渗透系数，拟合了渗透系数和不均匀系数、曲率系数、d60/d30的关系式，对同一种土，可以节约成本，减少工作量。

关键词：蒋家沟，粗粒土，渗透性，不均匀系数，曲率系数

中图分类号： P747 文献标识码： A 文章编号：

Abstract: This article take the Yunnan province Dongchuan Jiangjia gully debris flow in coarse grained soil as the research object, and studies on its grain size distribution and permeability, with modified permeameter as test equipment, obtained the coarse grained soil permeability coefficient, fitting the permeability coefficient and coefficient of uniformity, the curvature coefficient, d60/d30 relationship type, for the same soil, can save cost, reduce the workload.

Keywords: Jiangjiagou, coarse grained soil, permeability, uniformity coefficient, coefficient of curvature

0 引言

水利部行业标准和国家标准将60mm>d>0.075mm的含量大于50%的土划分为粗颗粒土，云南省东川区蒋家沟泥石流土体毫无疑问属于粗粒土。在泥石流形成过程中，土体渗透系数是一个重要的影响因素，因此关于粗颗粒土渗透系数的研究成为一个重要课题[1]。

1 基本理论

目前国内外对渗透系数的选用主要是通过现场试验获取的，取得的参数虽然相对准确可靠，但离散性大，且需要花费一定的人力、物力和财力，且并不是所用的工程都具备试验条件，因此有时依据经验选取。现有的国内外关于粗颗粒土渗透系数的经验公式主要有[2]：

(1) 太沙基(Terzaghi)公式：

(1)

(2) 哈增(A.H azen)公式：

(2)

(3)柯森(kozeny)公式：

(3)

(4)扎乌叶列布(В.Н.Кондратбев)公式：

(4)

(5)康德拉捷夫((В.Н.Кондратбев)公式：

(5)

(6)B.C.伊斯托明娜公式：

(6)

(6)刘杰公式

(7)

各式中： 为孔隙比； 为孔隙率； 为有效孔隙率； 为各相应公式的有效粒径，即累计含量为m%对应的颗粒直径，cm； 为孔隙的平均直径，mm； , 为20℃时土的渗透系数和x℃时土的渗透系数，μ为试验温度时水的动力黏滞系数；g为重力加速度cm/s2； c为系数，100~150。

一定级配的土料在一定的干密度下，渗透系数是一个固定的值，说明土的渗透系数与土的级配和孔隙比存在一定的定量关系。

基于上述分析，取蒋家沟泥石流粗粒土进行人工配料成10组不同级配土料，研究其渗透系数变化规律，土料粒径在0.1mm~40mm之间，土样编号为S1~S10，级配数据和级配曲线见表1和图2，试验制样干容重为1.96g/cm3, 试验仪器采用改进型70渗透仪，将70型渗透仪直径10cm的铁筒改用有机玻璃加工的圆筒，直径30cm(如图1)，以满足粗粒土渗透要求。试验过程严格按照中华人民共和国行业标准《土工试验规程》(SL237—1999)进行，试验用水为无气水，试样采用水头饱和法进行低水头饱和，饱和时间均在24小时以上，然后进行试验，各土样的有效粒径、特征粒径、控制粒径和不均匀系数、曲率系数等级配特征计算见图2

2试验原理、方法和试验结果

渗透是水在多孔介质中运动的现象。若土中渗透水流呈层流状态，则渗透速

度( )与水力坡降 成正比；当水力坡降 时渗透速度称为土壤的渗透系数 。以达西定律表示为[3]：

(8)

采用改进型70渗透仪，将泥石流体粗粒土分层填实装样后，使底盘进水口与水头装置连接，待排气管流出的水无气泡后，关排水管夹，水由下向上进入试样。开动秒表，同时用量筒接取经(t)时间由出水管排出的水量( ),并记录测压管的水头高度( )及出水口的水温(T)。按公式9计算渗透系数( ),并进行温度校正,求其平均渗透系数。

(9)

图1改进型70(MDF-70)渗透仪简图

各土样不均匀系数和曲率系数结果按级配优良与否的级配判断标准 ( >5,且3> >1)为级配良好，否则为不良级配)可判断S4、S5为级配良好的土，其余各为级配不良土[4]。

从图3中可以看出渗透系数与不均匀系数正相关，相关系数为：0.9331，关系方程为：

（10）

与曲率系数为幂律负相关，相差系数为：0.9418，关系方程为：

（11）

图5，通过对渗透系数与 的线性

分析发现，渗透系数与(= )属线性正相关,且相关系数的平方为0.9409，关系方程为：

(12)

式中： 为粗粒土在20℃时的渗透系数，cm /s； 为粗粒土的不均匀系数； 为粗粒土的曲率系数； 、 、 为土的有效粒径、平均粒径、限制粒径，小于某粒径质量累积百分含量达10%所对应的颗粒直径，cm。

图2 试验土体级配曲线

图3 不均匀系数与渗透系数的线性相关分析

图4 曲率系数与渗透系数的线性相关分析

图5 渗透系数 与 的线性相关分析

从实验测出的渗透系数可以看出，土体级配对泥石流土的渗透性产生重要影响，且土体渗透性较粘性土大得多，大几个数量级，这使得雨水很容易渗入土体内部，并在短时间内改变土体的力学性质，软化土体，从而使泥石流迅猛爆发。泥石流土体良好的渗透性为泥石流形成创造了有利条件。

3 结束语

本文在室内通过试验对蒋家沟泥石流土样进行了研究，试图从中找出蒋家沟泥石流土体的特殊之处，分析这些特殊性质对泥石流形成的影响，得到以下结论：

(1)泥石流土渗透系数与不均匀系数正相关，与 正相关，与曲率系数幂律负相关。

（2）通过建立经验方程，可以减少实验工作量，提高工作效率。泥石流土良好的渗透性，为雨水入渗、软化土体，泥石流迅速爆发提供了有利条件。

参考文献：

[1] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州：黄河水利出版社. 1999: 40~42

[2] 刘杰. 土的渗流稳定与渗流控制[M]. 北京: 水利电力出版社, 1992.

[3] 李广信. 高等土力学[M]. 北京：清华大学出版社, 2004.50~51

[4] 朱崇辉, 刘俊民, 王增红.无粘性粗粒土的渗透试验研究[J]。人民长江, 2005, 36(11): 53~55.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。