文摘

介绍了理论和实验调查土壤导水率变化的混合物,其中包含两个不同的粒度分布,粗和细的土壤。新模型介绍了渗透系数之间的关系,关注coarse-fine土壤混合比和导水率的混合物。为模型验证,进行渗透测试。玻璃珠和品质管理标准砂和土壤从字段用于获得标本。实验结果表明,土壤的导水率混合强烈依赖于混合比。随着数量的粗土壤中细粒土壤增加,混合物的渗透系数降低的细土,直到临界混合比。这一比率被定义为优良的土壤完全填补没有仍然粗糙土壤之间的空隙。当该比率大于临界混合比,混合比的水力传导率大大增加,粗的土壤。计算值和试验结果的比较表明,引入模型成功地描述了测量。

1。介绍

土的渗透系数是重要的岩土工程相关渗流的决心,稳定分析,沉降预测。许多研究人员发现,土壤的导水率受多种因素的影响如密度、含水量、饱和度、孔隙比、粒度分布、粒子结构。一些例子是海森1],行动[2],运货马车的车夫[3,4],Burmister [5),拉姆(6],奥尔森[7),米切尔et al。8),角(9),Garcia-Bengochea et al。10豪泽],[11王,和黄12),等等。

一个经常引用的理论模型是由行动2和运货马车的车夫3,4]。行动(2使用类比]开发了模型在毛细血管管流和流。运货马车的车夫[3,4)验证了行动方程。他认为水移动形状不规则的颗粒,介绍了水力半径的概念,并使用粒子的单位体积湿表面积,年代0。Kozeny-Carman方程已采取多种形式包括以下: 在哪里k渗透系数,C年代是一个通道的形状和弯曲度系数, 粘度, 水的密度,年代饱和度,R是水力半径,n孔隙度。可以计算水力半径 在哪里 水的体积,V年代是固体的体积,e孔隙比。如前所述Chapuis和Aubertin [13],Kozeny-Carman方程不是经常使用在实践中由于难以确定年代0。几种方法可用于测量土壤颗粒的比表面积来评估年代0但他们并不常用的土力学和水文地质13]。冻结和樱桃14现在Kozeny-Carman方程d米而不是年代0在(2)。这d米被称为代表粒径没有任何指示如何计算这个当量直径。

各种型号的弯曲度被认为是一个重要因素。曲折是用于描述流体的实际距离的区别和宏观的旅行距离,由于孔隙空间的曲折度和互连(4,15,16]。一般来说,弯曲度取决于各种因素,包括形状、大小、类型的谷物,收敛毛孔,粒度分布(16]。因此,有歧义与实际距离的推导流体(17]。许多研究人员努力找到一个简单的弯曲度和孔隙度之间的关系(18- - - - - -22]。在拟议的关系描述弯曲度的关系 与n, 是最常用的,在哪里米是一个价值约0.4至0.5的范围(19]。

实验和实证方法也被用来做更好的预测(1,23- - - - - -25]。考虑粒度与渗透系数之间的关系,海森(1)报道,粒状土壤的导水率与颗粒均匀成正比的平方有效的颗粒大小,D10(1]。Burmister [5)报道,晶粒尺寸的范围,级配曲线的形状D10应该考虑。陈等人。26)发现,水力传导率强烈与中值直径有关D50。Boadu [27)提出了多元回归模型来克服困难在前面的模型。然而,如果人为地混合和土壤压实与选择的粒子大小,那些对自然土壤电导率模型由各种粒子大小是有限的。

在实践中,等二元混合物压实砂粘土混合物通常被用作毯子或衬垫形式对流体渗流屏障,包括渗滤液处理设施(28]。在这种二元混合物,优良的土壤提供不渗透性和粗土壤提供施工能力、压实效率,更好的变形控制。二元颗粒混合物的特点被许多研究人员研究[29日- - - - - -34]。Fragaszy et al。29日)提出了一种理论方法评估超大颗粒清洁土壤颗粒的影响,但是他们强调了影响土壤混合物的密度而不是渗透系数。沙和做饭30.)压实差塑料与砾石土的混合物不同百分比的砾石。他们发现砾石时的水力传导率略增加百分比低于50%,显著增加了更高的百分比。马里昂(31日]还发现,部分细粒度的影响土壤水力传导率的土壤混合物是基于土壤的渗透率测量复杂的混合物。雪莱和丹尼尔(32]研究砾石的百分比的影响渗透系数的高岭石和我的破坏。他们发现,水力传导率显著增加的砾石的百分比高于60%。Koltermann和Gorelick33)提出了渗透系数模型二元颗粒混合物。他们修改了理想包装模型概念通过引入加权系数,反映了粗和细的相对比例包装。Kamann et al。34)提出了渗透系数模型差排序金沙,严重金沙通过扩大Koltermann和Gorelick提出的模型33]。

本文的目的是介绍一种新的简单的模型来描述水力传导率的变化和干密度的二进制土壤混合物,其中包含两个不同的粒子大小、粗和细的土壤。注意,粗和细土是由它们的相对粒径的混合物。例如,沙子被视为gravel-sand细土的混合物,但被认为是粗的土壤sand-silt混合物。从理论上分析了渗透系数变化对粗土壤混合比。渗透试验结果提出了模型验证。玻璃beads-Joomunjin砂的混合物,Joomunjin sand-kaolinite,和Gwanak花岗岩soil-Songdo粉质粘土用于模型验证测试。

现有模型使用许多变量估计孔隙比等水力传导率、粒径分布、温度、土壤化学成分、粘度的液体。介绍了模型在此关注混合比与渗透系数之间的关系的混合物,混合比是唯一的变量。平均孔隙度和液压导率的纯粗糙土壤和纯细土作为给定的参数。

2。渗透系数粒子模型

流体通过土壤细比粗砂砾层,和水力传导率方程来源于泊肃叶定律通过一个圆形毛细管流(35]。在此基础上,新推导的起点是Kozeny-Carman方程(1),这可以简化如下: 在哪里一个是一个常数定义为 和转换后的孔隙度n∗被定义为水力传导率的预测 。

图1显示了三种可能的情况下,当两种不同粒径土壤混合。注意,下标c和f的指数表明纯粗糙土壤和纯细土,分别。例如,模型参数nc和nf是纯粹的粗粒土的峰值和纯细土,分别。液压导率的kc和kf表示为

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
粒子的安排与粗和细土混合比率条件:(一)粗土壤混合比低;(b)临界混合比;(c)高混合比粗的土壤。

为了简单起见,纯粹的土壤的孔隙率,e0,被认为是相同的(例如,ec=ef=e0),平均值是用于模型推导。因此,nc和nf也认为是相同的,他们的平均价值。特定的重力的纯粹的土壤也认为是相同的。期间造成的限制将讨论这些假设模型验证。虽然疏的纯粹的土壤被认为是相同的,kc大于kf,由于粗的输水区土壤大于细土。为了简化关系,渗透系数校正因子α采用的定义是

请注意,kc和kf这个建议模型给定的参数,校正因子α也是已知的。在下面几节中,土壤的导水率混合物将表示α和粗土壤混合比,x。

2.1。土壤孔隙度转换为低粗混合比

粗粒土的重量比细土可以表示为

每个土壤的重量分数由以下方程给出使用孔隙比,比重,体积 在哪里G年代土壤的比重,e孔隙比, 是水的密度,V1和V2图中所示的卷1。如前所述,下标c和f的指数表明纯粗糙土壤和纯细土,分别。还记得,为了简单起见,平均孔隙比纯粹的粗糙土壤和纯粹的细土,e0、使用和的平均比重两个土壤,G年代,。通过求解(7)和(8)的体积,V1和V2表示为

因此,土壤的孔隙度混合物 是

如图1(一),粗土壤颗粒之间的空隙填满细土。因此,输水区V1管理的细土,因此水力半径不是一个变量,而是一个常数等于什么Rf。因此,对于低粗土壤混合比,n混合是唯一的变量确定土壤水力传导率的混合物。通过堵塞(9)和(10)(11),得到以下方程:

因此,转换后的孔隙度可以得到以下方程:

2.2。孔隙度在关键的混合比转换

本文细土的临界混合比的定义是完全填充粗土壤颗粒之间的空隙没有保持,如图1 (b)。在这种情况下,V2无法区分的V1和输水区是由优良的土壤,所以孔隙度表示为

转换后的孔隙度可以评估

关键的混合比可以通过计算的比率(10)等于零。因此,粗粒土的重量分数在关键的混合比,xcr,是

2.3。土壤孔隙度高粗混合比转换

当粗粒土的重量分数高,如图1 (c)的空洞V2不与细土填满。在这种情况下,每个土壤的重量分数

通过求解(17)和(18)的体积,V1和V2表示为

土壤的孔隙度混合物 是一样的(11),可以简化如下:

输水区V2会一样的纯粹的土壤粗。因此,水力传导率V2应该一样的,纯粹的粗的土壤,kc。考虑这一点,校正因子α采用表达(5)。转换后的孔隙度土壤混合物的渗透系数

通过堵塞(19)和(20.)(22),转换为渗透系数预测孔隙度

2.4。渗透系数与混合比和干密度的变化

土壤水力传导率的混合物,k混合,可以评估(3)。如前所述,模型所引入的目的是描述渗透系数变化时的混合比kc和kf给出了。因此,唯一的变量模型的粗粒土的重量分数,也就是说,粗糙土壤混合比x。的k混合是一个分段函数根据不同的混合比,并表示为 在哪里 可以评估kc或kf使用以下方程:

混合比的干密度变化也可以计算的基础上派生的孔隙度。孔隙比是一个分段函数取决于混合比率,表示为

使用派生的孔隙比方程时,干密度可以表示为

数据2(一个)- - - - - -2 (c)现在的孔隙比的变化,干密度,计算渗透系数,分别。混合物的孔隙比有v型曲线的最小临界混合比。混合比的干密度增加,然后开始减少在关键的混合比。直到到达临界混合比,增加混合比的水力传导率略有降低然后大幅增加kc。这个模型反应具有显著的暗示coarse-fine土壤混合物的临界混合比显示的不透水的反应比纯细土。验证模型的这些反应,实验。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图2
预测价值变化与土壤混合比粗:(a)孔隙比变化;(b)干密度变化;(c)导水率变化。

3所示。评价模型与实验数据

3.1。实验

验证模型,对比介绍了模型的预测值和测量。材料使土壤混合物的玻璃珠子,Joomunjin标准砂(J-sand),高岭石,Gwanak花岗岩土壤(G-soil)和Songdo粉质粘土(S-soil)。图3介绍了每个土壤的粒度分布曲线。与土壤,三个混合物。第一个实验玻璃珠和J-sand的混合物,品质管理材料。因此,这些材料的粒径非常均匀,如图3意想不到,所以粒子尺寸不可能包含在混合物中。J-sand和高岭石的混合物来评估土壤的导水率变化,不包括生产产品。如图3高岭石的粒度均匀不如J-sand。因此,这种混合的粒子尺寸稍微不同的玻璃珠和J-sand的混合物。自然土壤,G-soil和S-soil获得Gwanak山在仁川,首尔和仁川。由于自然土壤固有的可变性,每个土壤包含各种粒子尺寸虽然他们占主导地位的粒子大小是大大不同的。与这种自然土壤混合物,介绍了模型的适用性自然土壤检查。


图3
粒度分布曲线。

三种组合的粗和细土混合了各种粗土壤混合比率和与优化压实含水量(OMC)。此后,渗透系数进行了测试。混合物的玻璃珠,J-sand常水头渗透试验是进行标本的直径和高度10厘米,12.8厘米,分别。水头是60厘米。变量头进行渗透率测试J-sand和高岭石的混合物和G-soil S-soil混合物。直径和标本的高度是6.2厘米,7厘米,分别。

3.2。玻璃珠和J-Sand混合物

玻璃珠和J-sand被用来评估混合物的渗透系数。在这种情况下,玻璃珠和J-sand代表的粗和细土,分别。混合物被压缩,常水头渗透试验是进行各种玻璃珠混合比例为0%,20%,30%,50%,70%,80%,90%,100%。注意,该模型派生假设每个纯土壤的孔隙率是相同的,和他们的平均值作为参数。在这个实验中,0.72的平均水平ec和ef,它与一系列测量数据显示很好的协议如图4(一)。的平均比重J-sand和玻璃珠,2.62,用于计算。之间的差异的具体特点两个很小,所以造成的可能的错误这是被忽视的。如图4 (b),测量干密度测量的发展趋势。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
预测和测量玻璃珠和J-sand混合物的比较:(a)孔隙比和(b)干密度。

图5显示了渗透系数变化与玻璃珠混合比。计算和测量液压导率的混合强烈依赖于混合比。的价值k混合略随混合比,直到临界比增加;此后,k混合大幅增加的价值kc。考虑到意想不到的大小可能包含在J-sand粒子,引入的预测模型描述了测量值。


图5
水力传导率演化的玻璃珠和J-sand混合物混合比。
3.3。J-Sand和高岭石的混合物

土壤J-sand和高岭石的混合物用于引入模型验证。在这种情况下,J-sand代表了土壤粗。列在表1,G年代值的两个土壤几乎是相同的。因此,不同的是被忽视的,2.64是用于计算的价值。混合物被压缩,变量头渗透率进行了测试与各种J-sand混合比例为0%,10%,30%,50%,70%,75%,80%,90%,100%。

表1
土壤的性质和玻璃珠的混合物。

数据6(一)和6 (b)比较测量和预测的孔隙比和干密度值,分别。如前所述,模型假设推导出各自的纯粹的粗和细土的孔隙率是相同的,和两个土壤的平均孔隙比作为一个参数。在这个预测,使用0.72的平均孔隙比。如数据所示6(一)和6 (b),预测曲线与测量显示很好的协议。介绍了预测方程合适地描述了测量数据考虑土壤固有的可变性。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
预测和测量的对比J-sand和高岭石的混合物:(a)孔隙比和(b)干密度。

图7(一)显示了土壤的导水率变化的混合物。计算和测量液压导率土壤混合强烈依赖于混合比。以清楚地看到k混合变异,半对数图呈现在图7 (b)。的价值k混合略随混合比,直到临界比增加;此后,k混合急剧增加的价值吗kc。在这种情况下,计算临界混合比为70.5%。如图,从介绍了模型计算值与测量值有很好的协议直到临界混合比;此后,该模型高估了但之前测量的趋势。总体而言,该模型描述的像样的衣服k混合J-sand和高岭石的混合物。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
预测和测量的对比J-sand和高岭石的混合物:(一)渗透系数和(b)渗透系数在半对数的规模。
3.4。G-Soil和S-Soil的混合物

前两个实验对模型进行了验证与玻璃珠和品质管理土壤,所以他们比自然土壤样本相对较少的可变性。检查自然土壤,介绍了模型的适用性进行了实验与自然土壤样本Gwanak花岗岩土壤(G-soil)和Songdo粉质粘土(S-soil)。与现有的经验模型提出了海森(1也都是。基于索引属性,G-soil S-soil分为SP和ML的统一的土壤分类系统(usc),分别。G-soil被认为是粗粒土的验证。G-soil和S-soil最大限度地压缩,和可变头渗透率进行了测试与各种G-soil混合比例为0%,20%,40%,60%,70%,75%,90%,100%。

图8(一个)显示了孔隙比预测曲线的基础上,介绍了模型和测量。在这个验证实验中,两种土壤的平均孔隙比,0.56,使用。干密度预测曲线如图8 (b)描述了测试结果的趋势尽管自然土壤混合物包含更广泛的分布式粒子大小,如图3。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
预测和测量的对比G-soil S-soil混合物:(a)孔隙比和(b)干密度。

图9介绍了粒度分布曲线计算G-soil和S-soil基于每个土的混合物。G-soil混合比例是指出在每个曲线。从这些曲线D10价值,颗粒直径的10%按重量的土壤颗粒细,评估,计算渗透系数与建议海森方程(6]:


图9
粒度分布曲线G-soil和S-soil混合物。

为k在cm / sD10在mm,系数C在(30.)= 1.0。

图10 ()介绍了液压导率强烈依赖的土壤混合物混合比其他两个相同的土壤混合物。预测的k混合与介绍了模型在本研究中略随增加G-soil混合比,直到临界混合比,然后大大增加。这种预测是测量的发展趋势。预测的k混合海森与建议方程(1]略有增加,直到90%的G-soil混合比,然后大大增加。注意,海森方程是单独的函数D10增加,这与土壤混合比粗。因此,它无法描述的减少响应测量。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
预测和测量的对比G-soil S-soil混合物:(一)渗透系数和(b)渗透系数在半对数的规模。

以清楚地看到k混合变异,半对数图呈现在图10 (b)。如图,介绍了模型预测的稍微高估了测量液压导率。测量k混合减少了大约80%的G-soil混合比,但计算临界混合比是73.6%。据推测,不同大小的土壤颗粒不可避免地包含在自然土壤混合物降低输水区,这导致预测之间的区别,介绍了模型和测量。海森提出的经验模型(1),这显然是发现预测k混合无法描述的减少响应测量前关键的混合比。

介绍了模型的预测值和实验结果表明,coarse-fine土壤混合物的渗透系数与临界混合比低于纯细土。因此,在设计和构建的核心土坝,毯子或垃圾填埋场衬垫,coarse-fine混合物的临界混合比将会形成渗流屏障对液体比纯细土。可以看出,这种混合有施工能力比纯细土,。

4所示。结论

分析渗透系数变化的粗和细土的混合物,一种新的模式,考虑两种不同的粒径分布。干密度,孔隙度和土壤的导水率的混合物是理论上估计对混合比。新模型是在此基础上开发的孔隙度和需求各自的液压导率粗和精美的土壤参数。验证模型,进行了实验室渗透率测试,结果显示,本文介绍了模型成功地描述土壤的导水率变化的混合物。

介绍了模型的预测值和实验结果表明,coarse-fine土壤混合物的渗透系数强烈依赖于混合比。与增加混合比略有下降,直到临界混合比,和之后,大大增加了。在关键的混合比,coarse-fine混合物渗透系数最低。

基于引入模型反应,观察,它可以推断coarse-fine土壤混合物的临界混合比是更有效的比仅仅采用细土在设计和建设等不透水层的核心土坝,毯子或垃圾填埋场衬垫。然而,这些实际使用大小合适的土壤还没有被研究过。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府资助(MSIP)(没有。2015 r1a2a1a01007980)。