本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法。

背景技術(shù)：
土的滲透性指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)。滲透系數(shù)是衡量土體滲透性的一項重要物理指標(biāo)，它是土體滲流、固結(jié)、降水等分析計算中必須的基本參數(shù)，包括考慮固結(jié)的基礎(chǔ)沉降計算、堤壩的滲流分析和基礎(chǔ)的降水計算等。目前關(guān)于滲透系數(shù)的測試方法通常有常水頭法、變水頭法和孔壓靜力觸探測滲透系數(shù)法等?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999，pp.79-82)中介紹了基于長水頭和變水頭的滲透系數(shù)測試方法。2014年符二東在《山西建筑》(2014，No.02，pp.68-69)中發(fā)表的“變水頭法測定滲透系數(shù)試驗方法分析及探討”一文對變水頭法測滲透系數(shù)的方法進行了探討，研究影響其測試精確度的因素。公開號為CN103061320A的中國專利公開了一種基于孔壓靜力觸探確定土體滲透系數(shù)的方法，通過孔壓靜力觸探報告確定現(xiàn)場土層劃分和相關(guān)參數(shù)，同時根據(jù)密度試驗得到現(xiàn)場土的重度，從而確定孔壓靜力觸探的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和滲透系數(shù)指數(shù)，根據(jù)土層劃分確定土層分布系數(shù)，最終確定土體的滲透系數(shù)。采用上述方法雖然都能測得土壤的滲透系數(shù)，但都只能測定固定的滲透系數(shù)值。而實際上滲透系數(shù)會在土層受力變形過程中發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為隨孔隙比的變化而變化，但目前針對滲透系數(shù)變化的測試方法很少。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，2005年陳勇在《海洋湖沼通報》(2005,No.04，pp.15-22)中發(fā)表的“黃河沉積粉土滲透系數(shù)變化研究”一文對黃河沉積粉土進行了模擬加載滲透實驗，研究了固結(jié)壓力、滲透壓力對黃河三角洲粉質(zhì)土滲透系數(shù)的影響，并獲得了一定的規(guī)律。2012年曾玲玲在《巖土力學(xué)》(2012,No.05，pp.1286-1292)中發(fā)表的“壓縮過程中重塑黏土滲透系數(shù)的變化規(guī)律”一文對重塑粘土的滲透系數(shù)的變化規(guī)律進行了研究，指出滲透系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系。但是以上文獻都沒有明確指出用于測試滲透系數(shù)變化的方法，因此提出一種可以快速測定滲透系數(shù)變化規(guī)律，并獲取整個變化過程的數(shù)據(jù)進行全面測定的方法顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了克服以上不足，提供了一種可以快速測定滲透系數(shù)變化規(guī)律，并獲取整個變化過程的數(shù)據(jù)進行全面測定的基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法，包括以下步驟：S1：獲取測試土樣，并通過試驗獲得土樣的初始孔隙比e0；S2：制作試樣，根據(jù)三軸固結(jié)儀確定試樣尺寸，選取土樣中心擾動較小的區(qū)域進行制作，并對制出的試樣進行飽和處理；S3：對試樣進行三軸固結(jié)試驗，采用分級降壓滲流試驗方法，先升高圍壓和背壓達到試驗設(shè)計值，待孔壓穩(wěn)定后開始逐級降低背壓進行滲流固結(jié)試驗，并記錄試驗過程中試樣孔壓和體積變化值，其中，圍壓是指三軸固結(jié)儀壓力室內(nèi)的壓力，即試樣的總壓力；背壓是指試樣上表面的孔隙水壓力；孔壓是指試樣下表面的孔隙水壓力；S4：處理記錄的試驗數(shù)據(jù)，并計算分級降壓過程中的滲透系數(shù)和孔隙比；S5：確定滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線，最終得到兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系。進一步的，所述第一步中獲取測試土樣是指：采用擾動較小的薄壁取土法，在指定區(qū)域取得土樣，并進行封存后用于做室內(nèi)試驗。進一步的，所述步驟S1中，獲得土樣的初始孔隙比e0是指：通過環(huán)刀法求得土的重度rs，用烘干法求出土的含水率w，并利用公式求得初始孔隙比，其中rw為水的重度。進一步的，所述步驟S2中，所述三軸固結(jié)儀具有控制土體試樣孔壓大小、測量孔壓和體積變化的功能。進一步的，所述步驟S2中，飽和處理是指：采用浸水飽和法處理試樣，使其飽和度達到99％以上。進一步的，所述步驟S3中，所述三軸固結(jié)試驗包括以下步驟：S31:將所述圍壓升至一個試驗設(shè)計值，同時將所述背壓升至比圍壓小10kPa以防止試樣內(nèi)孔隙水壓力大于圍壓而導(dǎo)致試樣破壞，觀測孔壓變化情況；S32:待孔壓穩(wěn)定并等于背壓值，進行分級降壓滲流試驗，首先設(shè)定背壓每一級的降壓值；接著開始第一級降壓滲流試驗，使試樣排水固結(jié)，觀測孔壓變化情況，間隔獲取試樣的孔壓和體積變化值；S33：待上一級降壓滲流試驗的孔壓穩(wěn)定并等于該級背壓值后，進行下一級降壓滲流試驗，間隔獲取試樣的孔壓和體積變化值；S34：重復(fù)步驟S33，直到背壓降至預(yù)先設(shè)定值，且孔壓達到穩(wěn)定值，此時完成所有分級降壓滲流試驗。進一步的，所述步驟S32中，所述背壓每一級降壓值不小于50kPa，所述分級降壓滲流試驗分級的次數(shù)不少于3次，進一步的，所述S32或S33中，獲取試樣孔壓值和體積變化值的時間間隔為30-120s。進一步的，所述步驟S4中，所述分級降壓過程中滲透系數(shù)和孔隙比的計算方法為：第i次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki采用變水頭滲流計算公式進行計算，其中P1i為第i次分級降壓過程中的起始孔壓；P2i為第i次分級降壓過程中的中值孔壓，即起始孔壓與穩(wěn)定時孔壓的平均值；Pbi為第i次分級降壓過程中的背壓值，由于穩(wěn)定時孔壓等于背壓，因此P2i＝(P1i+Pbi)/2；△ti為孔壓從P1i下降到P2i的時間間隔；△Vi是△ti時間內(nèi)試樣的體積變化值；L和A分別為試樣的高度與截面積；rw為水的重度；第i次分級降壓過程中的孔隙比ei利用公式進行計算，其中ei-1第i次分級降壓過程中的起始時刻孔隙比；Vi為第i次分級降壓過程試樣的初始體積；△Vi是第i次分級降壓過程中△ti時間內(nèi)試樣的體積變化值。進一步的，所述步驟S5中繪制關(guān)系曲線是指：根據(jù)第i次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki和起始時刻孔隙比ei-1，繪制關(guān)系曲線e-lgk，并得到滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系表達式:lgk＝ae-b，其中a和b是回歸分析得到的擬合系數(shù)。本發(fā)明提供的基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法，采用三軸固結(jié)儀對土體試樣進行分級降壓滲流試驗，并通過試驗過程中試樣的孔壓和體積變化值計算出每一次分級降壓試驗中的滲透系數(shù)和孔隙比，最終確定滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，本發(fā)明原理簡單，操作方便，準(zhǔn)確可靠，可以快速測定滲透系數(shù)的變化規(guī)律，以及獲取整個變化過程的數(shù)據(jù)進行全面測定。附圖說明圖1是本發(fā)明基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法流程圖；圖2是本發(fā)明滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系曲線圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述：如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于三軸固結(jié)試驗確定土體滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系的方法，包括以下步驟：S1：獲取測試土樣：采用擾動較小的薄壁取土法，在指定區(qū)域取得土樣，進行封存后用于做室內(nèi)試驗，并通過試驗獲得土樣的初始孔隙比e0。具體的，通過環(huán)刀法求得土的重度rs，用烘干法求出土的含水率w，并利用公式求得初始孔隙比，其中rw為水的重度；S2：制作試樣：首先，選取土樣中心擾動較小的區(qū)域進行制作，并根據(jù)三軸固結(jié)儀確定試樣尺寸，其中三軸固結(jié)儀具有控制土體試樣孔壓大小、測量孔壓和體積變化的功能；接著，采用浸水飽和法處理上述試樣，使其飽和度達到99％以上。需要說明的是，最終制得的試樣包括由下而上分布的第一透水石層、土樣層、第二透水石層和上排水蓋，以及包覆在第一透水石層、土樣層、第二透水石層和上排水蓋外層的乳膠膜。S3：對試樣進行三軸固結(jié)試驗，即采用分級降壓滲流試驗方法對試樣進行三軸固結(jié)試驗，先升高圍壓和背壓達到試驗設(shè)計值，待孔壓穩(wěn)定后開始逐級降低背壓進行滲流固結(jié)試驗，并記錄試驗過程中試樣孔壓和體積變化值。具體的，圍壓是指三軸固結(jié)儀壓力室內(nèi)的壓力，即試樣的總壓力；背壓是指試樣上表面的孔隙水壓力；孔壓是指試樣下表面的孔隙水壓力。由于圍壓和背壓可調(diào)，孔壓會隨著背壓的變化而變化，最終與背壓相等，因此通過調(diào)整圍壓和背壓，可以調(diào)節(jié)孔壓的大小。因此，步驟S3包括以下步驟：S31:將試樣的圍壓升至試驗設(shè)計值，同時調(diào)節(jié)背壓，使其比圍壓小10kPa，以防止試樣內(nèi)孔隙水壓力大于圍壓而導(dǎo)致試樣破壞，觀測孔壓變化情況，本實施例中，為了更快地穩(wěn)定孔壓，將圍壓和背壓的升壓過程分多次進行，以兩次升壓為例：若圍壓的試驗設(shè)計值為400kPa，則可以先將圍壓升至200kPa，同時將背壓升至190kPa，等待孔壓穩(wěn)定后，再將圍壓升至400kPa，將背壓升至390kPa，等待孔壓穩(wěn)定后開始正式進行試驗。S32:待孔壓穩(wěn)定并等于背壓值之后進行分級降壓滲流試驗，首先設(shè)定背壓每一級的降壓值，需要說明的是，每一級背壓的降壓值不小于50kPa，分級降壓滲流試驗中分級的次數(shù)不少于3次，本實施例中級數(shù)為3，并設(shè)定第一、二級的背壓降壓值為50kPa，第三級的背壓降壓值為90kPa。開始第一級降壓滲流試驗，將背壓降至340kPa。使試樣排水固結(jié)，觀測孔壓變化情況，并在試驗過程中每隔時間30-120s對試樣的孔壓和體積變化值進行采集。S33：待上一級降壓滲流試驗的孔壓穩(wěn)定并等于該級背壓值后，進行下一級(即第二級)降壓滲流試驗，將背壓繼續(xù)降至290kPa，每隔時間30-120s獲取試樣的孔壓和體積變化值；S34：重復(fù)步驟S33，待上一級孔壓穩(wěn)定后，將背壓降至200kPa，此時背壓已經(jīng)降至預(yù)先設(shè)定值，且孔壓達到穩(wěn)定值，此時完成所有分級降壓滲流試驗；S4：處理記錄的試驗數(shù)據(jù)，并計算分級降壓過程中的滲透系數(shù)和孔隙比，具體方法為：第i次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki采用變水頭滲流法進行計算的公式為：其中P1i為第i次分級降壓過程中的起始孔壓；P2i為第i次分級降壓過程中的中值孔壓，即起始孔壓與穩(wěn)定時孔壓的平均值；Pbi為第i次分級降壓過程中的背壓值；由于穩(wěn)定時孔壓等于背壓，因此P2i＝(P1i+Pbi)/2，△ti為孔壓從P1i下降到P2i的時間間隔；△Vi是△ti時間內(nèi)試樣的體積變化值；L和A分別為試樣的高度與截面積；rw為水的重度；第i次分級降壓過程中的孔隙比ei的計算公式為：其中ei-1第i次分級降壓過程中的起始時刻孔隙比，當(dāng)i＝1時，ei-1即土樣的初始孔隙比e0；Vi為第i次分級降壓過程試樣的初始體積；△Vi是第i次分級降壓過程中試樣的體積變化值；本實施例中三次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki和初始孔隙比ei-1如表1所示。表1：三次分級降壓過程中的滲透系數(shù)和初始孔隙比S5：確定滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線，最終得到兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系，具體的，根據(jù)步驟S4中求得的第i次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki和起始時刻孔隙比ei-1，繪制關(guān)系曲線k-e，并得到滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系表達式:lgk＝ae-b，其中a和b是回歸分析得到的擬合系數(shù)，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制出三次分級降壓過程中的滲透系數(shù)ki和起始時刻孔隙比ei-1的關(guān)系曲線k-e如圖2所示，通過計算得出滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系式為lgk＝4.1159e-13.202。雖然說明書中對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應(yīng)限定本發(fā)明的保護范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進行各種省略、置換和變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。