粗粒石鋪設(shè)特征對滲透特性影響的試驗研究

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1、粗粒石鋪設(shè)特征對滲透特性影響的試驗研究第一章緒論1.1研究的目的及意義隨著巖土工程學(xué)科的發(fā)展,粗粒石在現(xiàn)實生活、生產(chǎn)過程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,不僅可以用于混凝土中的骨料使用,也在鐵路和公路路基[1]、堆石壩、滲渠取水工程以及土石壩工程中廣泛使用,而且在作為反濾料、地基處理用料等方面,粗粒石也占據(jù)了很大的比重[2-11]。據(jù)統(tǒng)計[12],在各類工程建設(shè)中,粗粒石的工程用量占到總建設(shè)土方用量的50%以上,已經(jīng)成為工民建等行業(yè)必不可少的建筑材料。從廣義上講,粗粒石是一種無粘性的粗粒土,與細粒土相比,具有透水性強,承載力高,沉陷變形小等工程優(yōu)點。從

2、固體力學(xué)性質(zhì)上來看,壓縮性小、抗剪強度高、在荷載作用下不容易產(chǎn)生沉降變形和剪切破壞,是其成為承受上部荷載的良好地基材料的重要原因;從水力學(xué)性質(zhì)上看,顆粒組成粗大且不均勻、顆粒間粘聚力小,加上與水作用時的許多水力學(xué)特性并未被人們所掌握,特別是對滲透方面的特性研究欠缺等情況的存在,是導(dǎo)致一系列工程事故發(fā)生的主要原因,如鴨嘴河口大壩壩基滲漏,臨城水庫壩體滲漏,華容縣砂基堤防管涌的破壞以及長江大堤管涌破壞等[12]。粗粒石的鋪設(shè)在施工過程中,較多的用于提高地基強度,支撐上部構(gòu)件,同時排出地下水,從而減少地下水對上部構(gòu)造的危害,例如,對于地下水位

3、區(qū)段的渠道襯砌工程來說,較高的地下水可能導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生浮托力,如果不進行及時有效的排水,就會造成滲透變形破壞,因此,研究其滲透特性是工程實際中一個關(guān)鍵的課題,而且重點在于研究粗粒石體的透水性,而不是抗?jié)B性。如何使鋪設(shè)的粗粒石體達到設(shè)計滲透能力是工程設(shè)計中必須解決的問題。因此,應(yīng)深入研究粗粒石鋪設(shè)特征對其滲透特性的影響。..1.2粗粒土的分類及研究狀況粗粒土在土力學(xué)中并沒有嚴(yán)格的定義,可泛指顆粒直徑較粗的土。自然界中土的種類繁多,根據(jù)其工程性質(zhì)的不同,用途也有所不同。從直觀上可以粗略的把土分成兩大類,顆粒間連結(jié)弱、肉眼可見的松散顆粒稱為粗粒

4、土;顆粒間連結(jié)力強、顆粒非常細微肉眼不可見的稱為細粒土。實際工程中,這種粗略的分類遠遠不能滿足工程的要求,還必須用更能反映土的工程特性的指標(biāo)來系統(tǒng)分類。自然界中的土往往是大小混雜,為了對粗粒土的組成情況有更清楚的認識,需對其進行細分。由于對粗粒土在工程中的性質(zhì)認識不同,研究需要也不同,因此對粗粒土的劃分各國有各國的標(biāo)準(zhǔn),而且同一國家不同部門和行業(yè)對粗粒土的界限粒徑劃分與用篩孔徑也不同。比如美國陸軍工程墾務(wù)局、師兵團、材料試驗學(xué)會通過篩分,聯(lián)合把d>0.075mm的粒徑含量大于50%的土稱為粗粒土;而美國公路工協(xié)會通過篩分,把76.

5、2mm>d>0.075mm的含量大于50%的土稱為粗粒土[13]。我國國家標(biāo)準(zhǔn)把60mm>d>0.075mm的含量大于50%的土劃分為粗粒土[14],根據(jù)研究需要又將粗粒土細分為粗粒類土、礫類土和砂土。按國家標(biāo)準(zhǔn)和水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將粗粒土按粒組劃分為細粒組、粗粒組、巨粒組。關(guān)于我國相關(guān)行業(yè)對土的分類標(biāo)準(zhǔn),下面做簡要介紹。..第二章粗粒石滲透特性的機理研究2.1影響粗粒石滲透性因素粗粒石滲透性主要由孔隙決定,而孔隙大小又決定于顆粒級配組成和排列情況,且滲透性是顆粒組成、結(jié)構(gòu)、密實度等因素綜合反應(yīng)[44]。影響顆粒級

6、配的主要參數(shù)有不均勻系數(shù)以及曲率系數(shù),是粗粒石重要的物理性指標(biāo),也是決定工程性質(zhì)的基本因素[45-47]。天然粗粒石由于風(fēng)化、搬運及沉積等自然條件的影響,往往會形成形狀各異,大小不同的顆粒,顆粒形態(tài)的不同,使得若干顆粒排列組成有所不同,也直接導(dǎo)致滲流強度的不同,按照這方面的性質(zhì),粗粒石又可劃分為各向同性與各向異性兩大類[48]。在分析滲流基本規(guī)律時,力求使試驗粗粒石接近最簡單的均質(zhì)各向同性,因此本試驗選取的粗粒石經(jīng)過人工加工,使每一粒組粒徑趨于相同,當(dāng)所得規(guī)律應(yīng)用于實際問題時,再考慮實際土體特性。粗粒石作為多孔介質(zhì)[49-51],可以看

7、做是由眾多包含氣體、液體、固體的微小體積組合而成,固體部分充當(dāng)骨架,可供液體流動的區(qū)域稱為孔隙,表征孔隙大小及多少用孔隙率表示,是一個無量綱量,孔隙率的大小受級配組成、顆粒形狀及排列狀況影響。2.2粗粒石滲透機理理論分析2.2.1滲流模型水流沿著粗粒石中的孔隙流動,其流動路徑相當(dāng)復(fù)雜,無論理論分析還是試驗手段都很難確定在某一具體位置的真實流動速度,從工程應(yīng)用的角度來說也是沒有必要的。對于解決實際工程問題,最重要的是在某一范圍內(nèi)宏觀滲流的平均效果。為了研究滲流的方便,我們采用一種假想的滲流來代替實際滲流,這種假想的滲流即稱為滲流模型。以滲

8、流模型取代真實滲流,本章從滲流模型基本理論出發(fā),在綜合分析了影響粗粒石滲透性能的基礎(chǔ)上,通過幾何學(xué)模型,引入相關(guān)參數(shù),就粗粒石本身結(jié)構(gòu)特性,推導(dǎo)出了單位時間的滲流量與粗粒石鋪設(shè)粒徑、厚度以及孔隙率之間的經(jīng)驗

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