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一种散体材料渗透系数确定方法有效专利 发明

技术领域

[0001] 本发明属于市政工程领域,具体涉及一种关于拆建固废散体材料渗透系数的确定方法。可用于基于砖渣、混凝土渣为主要成分的拆建固废的颗粒级配数据确定拆建固废散体材料的渗透系数。

相关背景技术

[0002] 海绵城市建设需要大量砂石材料,但是近年来,砂石资源枯竭,需考虑利用固废作为海绵城市设施建设的材料。其中,城市的拆建固废,因急需处理、材料廉价、无毒无害、就地利用,将被大量用于海绵城市建设。但是拆建固废散体材料是用各拆除工地的砖混废弃物经破碎得到,因原料来源于不同工地,生产出的再生骨料颗粒级配差异很大。
[0003] 渗透系数是各种海绵设施的重要设计指标,散体材料是否能用于海绵设施建设,不仅要看材料的强度是否满足要求,还要看材料的渗透系数是否能达到海绵设施的要求。拆建固废再生骨料颗粒级配差异很大,导致其渗透系数变化也很大,某厂家生产的固废再生骨料(固废散体材料)能否用于海绵设施建设,需要了解其渗透系数分布区间。
[0004] 散体材料的渗透系数一般通过渗透试验确定,级配稳定的天然砂石材料只需要做少量渗透试验即可掌握材料的渗透特性。颗粒级配变化大的拆建固废散体材料,则需进行大量试验才可以确定渗透系数范围,判别是否可用。
[0005] 相比之下,拆建固废的颗粒级配数据更容易获得,因为:一来,固废再生骨料生产厂家为了把握材料质量,必须定期对其产品进行颗粒级配测试;二来,颗粒级配测试的方法(如筛分法)操作简单、速度快。因此基于颗粒级配数据确定拆建固废散体材料渗透系数的方法具有较高的应用价值。
[0006] 现有技术尚未研究过如何通过颗粒级配数据确定城市拆建固废散体材料的渗透系数。类比的,在土木水利工程领域,已经做了很多这样的工作似乎可供参考,如:苏立君(苏立君,张宜健,王铁行.不同粒径级砂土渗透特性试验研究[J].岩土力学,2014,35(5):1289‑1294.)提出的:
[0007]
[0008] 其中:k为散体材料的渗透系数;n为散体材料孔隙率;d10、Cu、Cc为级配参数,d10为小于某粒径的颗粒质量占土总质量10%的粒径;或Cu为不均匀系数)、Cc为曲率系数;
[0009] 再如杨志浩(杨志浩,岳祖润,冯怀平,等.重载铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究[J].岩土力学,2021,42(1):1–10.)提出的:
[0010]
[0011] 其中:e为散体材料孔隙比;d50为级配参数,为小于某粒径的颗粒质量占土总质量50%的粒径;e为自然对数。
[0012] 类似的公式还有很多,但是这些计算公式都存在理论缺陷,因此适用性很差。其理论缺陷在于:同一孔隙率时,不同颗粒级配散体材料渗透系数一般是不同的,但是用这类公式的计算结果相同的可能性却很大,因为这些公式的级配参数代表性不够,同一(组)参数值不能唯一对应一个颗粒级配。这就意味着,基于这类公式,代入一个级配参数,如公式(2)的d50,算出的渗透系数会对应多个颗粒级配曲线。因此,要对散体材料的渗透系数进行准确计算,首先要基于科学合理的颗粒级配模型,该模型的级配参数需能对级配数据进行准确唯一表达。

具体实施方式

[0037] 以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
[0038] 基于分形理论,将散体材料视为粗细2种颗粒组分的混合物,粗颗粒组分的最大粒径为RT1,质量为MT1,分形维为D1;细颗粒组分的最大粒径为RT2,质量为MT2,分形维为D2,提出了“散体材料双分形级配模型”,模型如下:
[0039]
[0040] 式中,R为任一已知粒径,r为粒径小于R的任一颗粒粒径,M(r
[0041] 这个模型基于分形理论导得,不是经验公式,可以唯一确定散体材料的颗粒级配曲线,成果发表公布在期刊《Journal ofmaterials in civil engineering》。如果用这个模型的参数作为级配参数建立某类散体材料的渗透系数计算公式,则可得到无理论缺陷、通用性更高的散体材料渗透系数计算公式。
[0042] 经过研究,基于“散体材料双分形级配模型”级配参数,发明人得到以下公式用于确定散体材料的渗透系数:
[0043]
[0044] 式中,k为渗透系数计算值,n为孔隙率;M(r
[0045] 该公式的优点是:
[0046] (1)该公式采用“散体材料双分形级配模型”的模型参数建模,模型参数与级配曲线一一对应,消除了一个(一组)模型参数对应多个级配曲线的问题。因此根据一个级配曲线参数计算的结果唯一对应该材料的渗透系数,避免了现存公式的本质缺陷(理论缺陷)。
[0047] (2)公式逻辑严密,科学合理,考虑了散体材料的孔隙率(公式的第1项),散体材料的整体级配特征(第2项),散体材料的特征粒径(第3项)。
[0048] 基于上述两个公式,本发明确定散体材料渗透系数的步骤如下:
[0049] 第一步:建立某种散体材料的渗透系数计算公式,步骤如下:
[0050] (1)按现行国家、行业标准规定的相关试验方法,确定10种散体材料的颗粒级配和渗透系数。其颗粒分析方法一般通过筛分试验得到,渗透系数一般通过常水头渗透试验得到。
[0051] (2)利用散体材料的级配颗粒级配数据,计算得出不同粒径Rj的对应M(r
[0052]
[0053] (3)利用反演拟合得到的颗粒级配参数和对应的渗透试验渗透系数,采用下式进行参数反演得到参数:A0、A1、A2、B1、B2、dc。
[0054]
[0055] 第二步:利用建立的渗透系数计算公式,确定该散体材料某个级配状态下的渗透系数:
[0056] (1)通过试验或利用散体材料生产厂家提供的级配数据,采用式(3)和RT1=RT、MT=MT1+MT2,得到散体材料的孔隙率n和颗粒级配参数:D1、D2、RT1、RT2、MT1、MT2。
[0057] (2)令R=dc,将R和待确定渗透系数散体材料的参数:D1、D2、RT1、RT2、MT1,MT2输入公式(3),得到待确定渗透系数的散体材料的M(r
[0058] (3)根据设计要求的孔隙率n和散体材料的反演所得参数 D1、D2代入式(4),计算得到散体材料的渗透系数。
[0059] 实施例1:
[0060] 发明人对拆建固废散体材料进行了应用,说明本发明的实施步骤。
[0061] 第一步:建立拆建固废的渗透系数计算公式
[0062] (1)对来自长沙的拆建固废取样,获得6种不同级配的再生骨料,再生骨料最大粒径为20mm。通过常水头渗透试验测得试样的饱和渗透系数。固废散体材料干密度与渗透系数实测值见表2(为简化,可令MT=100)。
[0063] 表16组固废试样级配(即:R~M(r
[0064]
[0065] 表2固废散体材料试样干密度与渗透系数实测值
[0066]
[0067] 利用散体材料的级配颗粒级配数据,计算得出不同粒径Rj的对应M(r
[0068]
[0069] 式中,R为任一已知粒径,r为粒径小于R的任一颗粒粒径,M(r
[0070] 表3固废散体材料的级配模型参数反演值
[0071]
[0072]
[0073] (3)利用反演得到的颗粒级配参数和对应的渗透试验渗透系数,采用式(4)进行参2
数反演得到固废材料的渗透系数计算公式,R=0.9992:
[0074]
[0075] 表4固废散体材料的渗透系数实测值与计算值
[0076]
[0077] 第二步:利用建立的渗透系数计算公式,确定该散体材料某个级配状态下的渗透系数
[0078] (1)通过试验或利用散体材料生产厂家提供的级配数据如表(5)所示:
[0079] 表5固废散体材料待测试样的级配
[0080]
[0081] 采用式(1)进行待定系数反演,得到参数
[0082] 表6固废散体材料待测试样的级配参数
[0083]
[0084] (2)令R=dc=5.614,RT1=20,RT2=4.08,MT=100,MT1=44.45,MT2=55.55,D1=1.80,D2=2.40代公式(1),得到M(r<5.614)=65.23;
[0085] 根据设计要求的孔隙率n=0.32和散体材料渗透系数计算所得参数(即:
[0086] D1=1.80,D2=2.40, )代入式(5),计算得到散体材料的渗透系数k‑2 ‑1
=0.592×10 cm·s 。
[0087] 实施例2:
[0088] 本发明可以用于固废散体材料的渗透系数确定,也可用于一般天然散体材料的渗透性计算,本例利用文献(刘黎.粗粒料渗透特性及渗透规律试验研究[D].成都:四川大学,2006.)的数据说明本发明公式的优越性。
[0089] 该文献对砂岩粗粒料进行了级配和渗透系数测试。其砂岩粗粒料试样最大粒径为60mm,取自四川巴蜀江油电厂扩建工程料场。共6个试样的颗粒级配与渗透系数数据如下(令MT=100):
[0090] 表7 6个砂岩粗粒料试样级配信息(即:R‑M(r
[0091]
[0092] 表8 6个砂岩粗粒料试样的干密度与渗透系数实测值
[0093]
[0094] 经反演分析,由双分形模型拟合得到的级配曲线如图1所示,对应的双分形级配模型参数和拟合优度分析结果见表9。
[0095] 表9 6个砂岩粗粒料试样双分形级配参数
[0096]
[0097] 基于该文献的各试样的级配双分形模型参数(表9)和孔隙率,对各试样的实测渗2
透系数进行拟合,可得到花岗岩级配碎石渗透系数的计算公式,R=0.9995:
[0098]
[0099] 为了对比本发明公式的分析效果,同时采用Terzaghi计算式、Carrier式、水利水电科学研究院公式、杨志浩计算式分别对该粗粒土试样渗透系数进行计算,得到相应计算值,对应表示为:kT、kC、k水科院、k杨志浩,如下所示:
[0100]
[0101]
[0102] 式中,fi为两个筛网尺寸间的颗粒质量分数,dli和dli分别为相邻的大筛网尺寸和小筛网尺寸;Cu为级配的不均匀系数,e为散体材料孔隙比。
[0103]
[0104]
[0105] 计算效果如表10所示。由表10中呈现的各式计算值及计算误差可知,本发明的预测效果最好。
[0106] 表10砂岩粗粒料的渗透系数实测值与计算值
[0107]
[0108] 上述仅为本发明的一个具体导向实施方式,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。

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