粗粒石铺设特征对渗透特性影响的试验研究

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1、粗粒石铺设特征对渗透特性影响的试验研究第一章绪论1.1研究的目的及意义随着岩土工程学科的发展，粗粒石在现实生活、生产过程中的应用愈发广泛，不仅可以用于混凝土中的骨料使用，也在铁路和公路路基[1]、堆石坝、渗渠取水工程以及土石坝工程中广泛使用，而且在作为反滤料、地基处理用料等方面，粗粒石也占据了很大的比重[2-11]。据统计[12]，在各类工程建设中，粗粒石的工程用量占到总建设土方用量的50%以上，已经成为工民建等行业必不可少的建筑材料。从广义上讲，粗粒石是一种无粘性的粗粒土，与细粒土相比，具有透水性强，承载力高，沉陷变形小等工程优点。从

2、固体力学性质上来看，压缩性小、抗剪强度高、在荷载作用下不容易产生沉降变形和剪切破坏，是其成为承受上部荷载的良好地基材料的重要原因；从水力学性质上看，颗粒组成粗大且不均匀、颗粒间粘聚力小，加上与水作用时的许多水力学特性并未被人们所掌握，特别是对渗透方面的特性研究欠缺等情况的存在，是导致一系列工程事故发生的主要原因，如鸭嘴河口大坝坝基渗漏，临城水库坝体渗漏，华容县砂基堤防管涌的破坏以及长江大堤管涌破坏等[12]。粗粒石的铺设在施工过程中，较多的用于提高地基强度，支撑上部构件，同时排出地下水，从而减少地下水对上部构造的危害，例如，对于地下水位

3、区段的渠道衬砌工程来说，较高的地下水可能导致衬砌产生浮托力，如果不进行及时有效的排水，就会造成渗透变形破坏，因此，研究其渗透特性是工程实际中一个关键的课题，而且重点在于研究粗粒石体的透水性，而不是抗渗性。如何使铺设的粗粒石体达到设计渗透能力是工程设计中必须解决的问题。因此，应深入研究粗粒石铺设特征对其渗透特性的影响。..1.2粗粒土的分类及研究状况粗粒土在土力学中并没有严格的定义，可泛指颗粒直径较粗的土。自然界中土的种类繁多，根据其工程性质的不同，用途也有所不同。从直观上可以粗略的把土分成两大类，颗粒间连结弱、肉眼可见的松散颗粒称为粗粒

4、土；颗粒间连结力强、颗粒非常细微肉眼不可见的称为细粒土。实际工程中，这种粗略的分类远远不能满足工程的要求，还必须用更能反映土的工程特性的指标来系统分类。自然界中的土往往是大小混杂，为了对粗粒土的组成情况有更清楚的认识,需对其进行细分。由于对粗粒土在工程中的性质认识不同，研究需要也不同，因此对粗粒土的划分各国有各国的标准，而且同一国家不同部门和行业对粗粒土的界限粒径划分与用筛孔径也不同。比如美国陆军工程垦务局、师兵团、材料试验学会通过筛分，联合把d>0.075mm的粒径含量大于50%的土称为粗粒土；而美国公路工协会通过筛分，把76.

5、2mm>d>0.075mm的含量大于50%的土称为粗粒土[13]。我国国家标准把60mm>d>0.075mm的含量大于50%的土划分为粗粒土[14]，根据研究需要又将粗粒土细分为粗粒类土、砾类土和砂土。按国家标准和水利部行业标准，将粗粒土按粒组划分为细粒组、粗粒组、巨粒组。关于我国相关行业对土的分类标准，下面做简要介绍。..第二章粗粒石渗透特性的机理研究2.1影响粗粒石渗透性因素粗粒石渗透性主要由孔隙决定,而孔隙大小又决定于颗粒级配组成和排列情况,且渗透性是颗粒组成、结构、密实度等因素综合反应[44]。影响颗粒级

6、配的主要参数有不均匀系数以及曲率系数，是粗粒石重要的物理性指标，也是决定工程性质的基本因素[45-47]。天然粗粒石由于风化、搬运及沉积等自然条件的影响，往往会形成形状各异，大小不同的颗粒，颗粒形态的不同，使得若干颗粒排列组成有所不同，也直接导致渗流强度的不同，按照这方面的性质，粗粒石又可划分为各向同性与各向异性两大类[48]。在分析渗流基本规律时，力求使试验粗粒石接近最简单的均质各向同性，因此本试验选取的粗粒石经过人工加工，使每一粒组粒径趋于相同，当所得规律应用于实际问题时，再考虑实际土体特性。粗粒石作为多孔介质[49-51]，可以看

7、做是由众多包含气体、液体、固体的微小体积组合而成，固体部分充当骨架，可供液体流动的区域称为孔隙，表征孔隙大小及多少用孔隙率表示，是一个无量纲量，孔隙率的大小受级配组成、颗粒形状及排列状况影响。2.2粗粒石渗透机理理论分析2.2.1渗流模型水流沿着粗粒石中的孔隙流动，其流动路径相当复杂，无论理论分析还是试验手段都很难确定在某一具体位置的真实流动速度，从工程应用的角度来说也是没有必要的。对于解决实际工程问题，最重要的是在某一范围内宏观渗流的平均效果。为了研究渗流的方便，我们采用一种假想的渗流来代替实际渗流，这种假想的渗流即称为渗流模型。以渗

8、流模型取代真实渗流，本章从渗流模型基本理论出发，在综合分析了影响粗粒石渗透性能的基础上，通过几何学模型，引入相关参数，就粗粒石本身结构特性，推导出了单位时间的渗流量与粗粒石铺设粒径、厚度以及孔隙率之间的经验