土力学渗透实验汇总

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1、3.2.2尾矿的渗透特性影响上游法筑坝尾矿库安全稳定性的诸多因素中，尾矿库的渗流状态是最重 要的因素之一。只有深入分析尾矿库的渗流状态，才能确定合理的筑坝工程指标， 选择合适的排渗方案，从而保证尾矿库的安全65,73,74。目前，国内外对尾矿库进行渗流分析时很少考虑尾矿的渗透系数随填埋位置 和时间的变化。近代土力学的研究表明，土的渗透特性与土中孔隙的多少和孔隙 的分布情况密切相关。随着尾矿的排放，下部堆积尾矿的上覆土压力逐渐增加。 在上覆土压力的作用下，尾矿将逐渐排水固结，随着固结的进行，尾矿孔隙比逐 渐减小，而孔隙比的减小必然引起渗透系数的变化。堆积尾矿的渗透系数与上部 固结压力和孔隙比之间

2、存在何种关系是一个值得探讨的问题75-76。本文通过室内 试验的方法，研究不同固结压力和孔隙比条件下各类尾矿的渗透系数变化情况， 从而为尾矿库渗流稳定性分析提供科学依据。(1) 固结一渗透联合测定装置说明 固结一渗透联合测定装置构造说明现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为土工试验方法标准阚 (GB/T50123-1999)中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水 头渗透试验”中的变水头渗透仪。上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定 量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。针对目前常见渗透试验装置存在的不足，为了减少同一试验中相同土样的制 备数量和消除同一试

3、验相同土样在制备过程中产生的误差，作者在70型渗透仪 的基础上进行了合理改进，自行研制了固结一渗透联合测定装置，该装置不仅实 现了定量、均匀施加固结压力，精确测定单一固结压力下的渗透系数的基本目的， 而且实现了针对一个土样可以连续精确测定不同固结压力条件下土样的渗透系 数，得到固结压力一孔隙比一渗透系数的定量变化规律，弥补了普通渗透装置由 于无法定量、均匀施加固结压力，导致无法精确测定固结压力条件下土样的渗透 系数，同时也不能连续测定不同固结压力下土样渗透系数的不足，提高了固结压 力下渗透系数的测量精度而且大大减少了测定不同固结压力条件下土样渗透性 的试验次数，该参数精度的提高使相关问题的研究

4、更贴近实际。固结一渗透联合测定装置的详细构造如图3.6所示：图3.6 固结一渗透联合测定装置示意图Fig. 3.6 Schematic plot of Osmotic Oedometer固结一渗透联合测定装置构造说明：本装置的溢水孔亦是测量孔。通过加压 活塞可以改变土样所承受的轴向荷载，加压活塞与加压筒的筒壁之间有间隙，水 可在加压活塞与加压筒筒壁之间自由流动。 试验方法：a. 将透水石放入加压筒的底部，在透水石上放一层滤纸并将土样放入加压筒 的内腔中，在土样上再放一层滤纸，放上透水石并在透水石上放上加压活塞；b. 在支架两边分别安装1个百分表，并使两个百分表的触头分别顶在加压筒 的上表面，在

5、进水口上安装进水管，在溢水孔上安装流量计或在溢水孔外设置量 筒，将本装置安装在固结试验台上；c. 通过安装在进水口上的进水管向加压筒内注水，使土样排气、饱和；d. 通过固结试验台施加一定的固结压力来模拟试样的不同压力状态，通过百 分表读取土样的轴向变形量，当土样变形稳定时，测定渗透系数；e. 通过固结试验台改变固结压力，再次进行其他固结压力条件下的渗透试 验。（2）不同固结压力条件下尾矿固结渗透试验 实验内容：使用固结一渗透联合测定装置采用常水头法分别测定阿哈来、 同乃尾矿库各类型尾矿及混合尾矿、分层尾矿在0 kPa、32.5 kPa、65 kPa、130 kPa、 260 kPa、390 k

6、Pa、780 kPa、1170 kPa八级固结压力下的渗透系数，每施加一级 荷载后需等待沉降稳定后再测量其渗透系数，每个渗透系数测两次，固结稳定的判别标准为每小时沉降量小于0.01 mm。取两次测量值的平均值作为该级荷载下 的渗透系数。为了减小试验误差，所有试验均在常温下进行。 砂类尾矿固结一渗透试验方法：砂类尾矿渗透系数很大，因此为避免由于 透水石渗透系数小于砂类尾矿渗透系数而造成的测量结果错误，采用金属网代替 透水石，并在金属网上边铺上一层粗砂代替滤纸作为反滤层来进行砂类尾矿的固 结一渗透试验。修正各砂类尾矿的实际固结数据，以消除两端反滤层及金属网压缩变形对试 验结果的影响，得到不同固结压

7、力条件下砂类尾矿的实际单位沉降量和孔隙比。Fig. 3.8 Osmotic Oedometer test of tailings装置Fig. 3.7 Osmotic Oedometer图3.8 尾矿的固结一渗透联 阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透试验结果及分析阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿，不同固结压力条件下孔隙比数据如表3.8所示:表3.8 阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在各固结压力下的孔隙比数据Tab. 3.8 Void ratio datas of all types of tailings under consolidation pressures固结压力-/kPa孔隙比e阿哈来尾细砂阿

8、哈来尾粉砂阿哈来尾粉土阿哈来原尾矿同乃 尾粉砂同乃 尾粉土同乃 原尾矿00.8510.8491.5290.8390.9931.1451.02132.50.8460.8361.5130.8750.9241.0320.946650.8390.8291.50.8620.8470.9680.8891300.8320.8181.4890.8560.7580.9340.8482600.8210.81.4710.840.6830.8970.7633900.8140.7891.4590.8250.6590.8530.7347800.8010.7781.4380.8010.6140.8210.70211700.

9、7840.7691.4240.7970.5980.7820.679根据表3.8绘制阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿孔隙比与固结压力关系曲线， 如图3.9、3.10所示：固结压力P（kpa）图3.9 阿哈来尾矿库各类型尾矿的e-p关系Fig. 3.9 Relationship of e一 p of all types of the A halai tailings-1000100200300400500600700800900 1000 1100 1200 1300固结压力P（kpa）图3.10同乃尾矿库各类型尾矿的e-p关系Fig. 3.10 Relationship ofe一p of all t

10、ypes of the Tong nai tailings当固结压力增大时，各种尾矿试样的压缩规律与前面的压缩特性规律相近， 但因有持续水流的作用，其结果有细微的差别，体现在阿哈来原尾矿和同乃尾粉 土试样上，其孔隙比随固结压力的增大变化梯度稍大，阿哈来尾粉砂的最终孔隙 比最小。不同固结压力条件下尾矿土样渗透系数数据如表3.9所示：表3.9阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在不同固结压力下的渗透系数数据Tab. 3.9Permeability coefficient dat.083( x(e - 0.9* L 0.0832(3.13)阿哈来尾粉砂k - e曲A拟合方*k = 0.048 +1x 0.0

11、82/h022i x。-1.066*)+ 0.02212)(3.14)阿哈来尾粉土k-e曲线合方程：）（k = 0.0004 + x O.00?罗丛97 x（e 一 侦32 *）+ 0.1972）(3.15)阿哈来原尾矿k -e曲f拟合方程：)k = 0.0 0 3- 2 x。.。0 2X b.0 5 74 x(e - 0.9 01 + 0.0 5 7)(3.16)同乃尾粉砂k-e曲线孔合方程：)(阵0.0006 + x 0.00*M.813 x。-1.829*)+ O.mJ(3.17)同乃尾粉土k-e曲线拟方程： )(k = 0.00002 + 2 x 0.0001%)x .061 x (e

12、 -1.97*)+1.0612 (3.18)同乃原尾矿k-e曲线拟(方程：xk = 0.000007 + E x 0.000% 2 k663(4 x(e - 2.1/)+ 0.6632)(3.19)另外本文采用罗伦斯曲线拟合后的效果也比较理想。即阿哈来、同乃尾矿库 各类型尾矿在固结压缩过程中渗透系数随孔隙比的变化规律符合高斯曲线、罗伦 斯曲线规律，同时说明试验方法的改进增加了数据精度，使固结压力一孔隙比一 渗透系数之间的关系更符合实际。此规律的获得可为尾矿库渗流和稳定性分析提 供可靠依据。试验中得到的两种尾粉土的固结渗透试验结果与一般砂的特性类似，而与一 般的黏性土不同，这是因为尾粉土的结构情

13、况与一般的黏性土具有很大差别。因 为形成的时间较短，尾粉土中的黏粒含量相对较少，且尾粉土黏粒的颗粒大小比 黏性土黏粒要大得多，因此在黏粒的概念上与一般黏性土的黏粒有区别，黏性土 的微细颗粒能形成絮状结构而尾粉土的微细颗粒无法形成这种絮状结构。(3) 混合尾矿、分层尾矿固结一渗透试验 试验方法本次试验仍采用自制的固结一渗透联合测定装置测定在不同固结压力下的 混合尾矿、分层尾矿的渗透系数，按照前面3.2.1节中所述的质量比称取各级尾 矿共300 g，因为固结一渗透试验是由下部进水，所以将各级土样装填顺序调整 为：下面一层为最细层，由下至上越来越粗，在最上层以上和最底层以下各加一 层大于上下两层尾矿

14、试样渗透系数的反滤层。本次试验采用的压力级别分别为： 0 kPa、32.5 kPa、65 kPa、130 kPa、260 kPa、390 kPa、780 kPa。试验步骤按照 土工试验方法标准68的要求进行。 混合尾矿与分层尾矿的渗透特性a.阿哈来混合尾矿和分层尾矿的固结一渗透特性比较分析在持续水流的作用下，两种阿哈来尾矿的孔隙比与固结压力的关系如表3.11 所示：表3.11阿哈来混合尾矿和分层尾矿的孔隙比与固结压力关系数据Tab. 3.11 Datas of void ratio and consolidation pressure of the A halai mixed tailings

15、 and layered tailings固结压力/kPa孔隙比e阿哈来混合尾矿阿哈来分层尾矿01.341.4332.51.301.36651.251.301301.191.252601.121.213901.071.177801.021.14由试验数据绘制图形，得出各固结压力条件下阿哈来混合尾矿和分层尾矿试 样孔隙比的变化规律，如图3.20所示：图3.20阿哈来混合尾矿和分层尾矿的e-p关系Fig. 3.20 Relationship of e一p of the A halai mixed tailings and layered tailings试验得出的不同固结压力条件下阿哈来混合尾矿和

16、分层尾矿试样的渗透系数如表3.12所示:表3.12阿哈来混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系数据Tab. 3.12 Datas of permeability coefficient and consolidation pressure of the A halai mixedtailings and layered tailings固结压力/kPa渗透系数/(gm/s)阿哈来混合尾矿阿哈来分层尾矿06.79.232.55.34.3654.23.11303.251.82602.41.13901.90.867801.60.69根据数据表3.12绘制阿哈来混合尾矿和分层尾矿渗透系数与固结压力

17、关系 曲线，如图3.21所示：1.0x10 -49.0x10 -58.0x10 -57.0x10 -56.0x10 -55.0x10 -54.0x10 -53.0x10 -52.0x10 -51.0x10 -50.0-1000100200300400500600700800900固结压力kpa图3.21阿哈来混合尾矿和分层尾矿的k-p关系Fig. 3.21 Relationship of k 一 p of the A halai mixed tailings and layered tailings进而得到阿哈来混合尾矿和分层尾矿渗透系数与孔隙比的相关关系，如表3.13所示：表3.13阿哈来混

18、合尾矿和分层尾矿渗透系数与孔隙比的关系数据Tab. 3.13 Datas of permeability coefficient and void ratio of the A halai mixed tailings and layered tailings孔隙比 e 1.34 1.30 1.251.191.121.071.02阿哈来混合尾矿渗透系数k/（10-5cm/s）6.75.34.23.252.41.91.6孔隙比 e 1.431.36 1.301.251.211.171.14阿哈来分层尾矿渗透系数 k /（10-5cm/s）9.24.33.11.81.10.860.69根据表3.1

19、3中的数据，绘制渗透系数与孔隙比的关系曲线如图3.22所示:1.0x10 -49.0x10 -58.0x10 -57.0x10 -56.0x10 -55.0x10 -54.0x10 -53.0x10 -52.0x10 -51.0x10 -51.501.451.401.351.301.251.201.151.101.051.000.950.90孔隙比e0.0图3.22阿哈来混合尾矿和分层尾矿的k-e的关系Fig. 3.22 Relationship of k 一e of the A halai mixed tailings and layered tailingsb.同乃混合尾矿和分层尾矿固结一

20、渗透特性对比。在持续水流的作用下，同乃混合尾矿和分层尾矿在不同固结压力下的孔隙比 数据，如下表所示：3.14同乃混合尾矿和分层尾矿孔隙比与固结压力的关系数据Tab. 3.14 Datas of void ratio and consolidation pressure of the Tong nai mixed tailingsand layered tailings固结压力/kPa孔隙比e同乃混合尾矿同乃分层尾矿01.451.6432.51.381.57651.321.521301.251.472601.191.433901.151.397801.121.34根据表3.14，绘制孔隙比与固结

21、压力的关系曲线如图3.23所示:同乃混合尾矿同乃分层尾矿1.651.601.551.501.451.40比 1.35孔 1.301.251.201.151.101.051.00 -1000100200300400500600700800900固结压力kpa图3.23同乃混合尾矿和分层尾矿的e-p关系Fig. 3.23 Relationship of e一p of the Tong nai mixed tailings and layered tailings不同固结压力条件下同乃混合尾矿和分层尾矿试样渗透系数试验数据如表3.15所示：表3.15同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系数据

22、Tab. 3.15 Datas of permeability coefficient and consolidation pressure of the Tong nai mixedtailings and layered tailings固结压力/kPa渗透系数/(gm/s)同乃混合尾矿同乃分层尾矿09.33.132.57.21.57655.81.071303.90.72602.70.473902.30.267801.90.17根据表3.15，绘制同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系曲 线，如图3.24所示：图3.24同乃混合尾矿和分层尾矿的k-p关系Fig. 3.24 Rela

23、tionship of k 一 p of the Tong nai mixed tailings and layered tailings进而得到同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与孔隙比数据，如表3.16所示：表3.16同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与孔隙比关系数据Tab. 3.16 Datas of permeability coefficient and void ratio of the Tong nai mixed tailings and layered tailings同乃孔隙比e1.451.381.321.251.191.151.12混合尾矿渗透系数k /( 10-5cm/s)

24、9.37.25.83.92.72.31.9同乃孔隙比e1.641.571.521.471.431.391.34分层尾矿渗透系数k /( 10-5cm/s)3.11.571.070.70.470.260.17根据表3.16,绘制同乃混合尾矿和分层尾矿渗透系数与孔隙比关系曲线，如 图3.25所示：图3.25同乃混合尾矿和分层尾矿的k-e关系Fig. 3.25 Relationship of k 一e of the Tong nai mixed tailings and layered tailings 阿哈来、同乃混合尾矿和分层尾矿渗透特性分析以上四种尾矿样的渗透系数与孔隙比的关系均可采用高斯曲线

25、拟合，如图3.22和3.25所示，方程如下:阿哈来混合尾矿k - e曲线拟合f亍程：Xz （、阵 0.00001 +1X 0.0003.、MM X（e - 2.003*）+ 0.672）（3.20）阿哈来分层尾矿k - e曲线拟合呈：X（阵0.000005 + 1X 0.0007、M.483 X（e 一 璀7 * X+ 0.4832）（3.21）同乃混合尾矿k -e曲线拟合方7：X (k = 0.000008 + 2x0.00006/)x 70.4674x(e一 1.613、X+ 0.462X(3.22)同乃分层尾矿k -e曲线拟合方程k = 0.0000009 + 2 xx(e 一 2.18

26、9 * L 0.5042X(3.23)由表3.12和表3.15可知，阿哈来、同乃混合尾矿的渗透系数分别远大于阿 哈来、同乃分层尾矿的渗透系数。混合尾矿整体渗透系数均一，分层尾矿由于各 层粒径从下到上依次增大，导致其渗透系数由下到上逐渐增大。最底层粒度很小， 其渗透系数非常小，虽然厚度不是很大，但足以使整体的尾矿试样渗透系数减小 很多。根据水利水电工程地质勘察规范77可知阿哈来分层尾矿和同乃分层 尾矿随着固结压力的增大，其渗透性能由弱透水降至微透水，同时同乃分层尾矿 的渗透系数远小于阿哈来分层尾矿的渗透系数。说明分层尾矿的整体渗透系数亦 和颗粒整体的粒度大小有关。尾矿库内尾矿的固结程度由尾矿坝顶

27、向上游方向逐渐降低，尾矿的粒度也是 向上游方向逐渐减小。就渗透系数的平均值而言，尾矿坝坝顶处的渗透系数最大， 往库内逐渐减小，所以尾矿坝内的尾矿渗透特性既是非均质的，总体上又是渐变 的。随着滩面上堆积尾矿荷载的不断增加，下部尾矿在堆积荷载增加的过程中逐 渐固结。在尾矿坝的垂直剖面上，由于尾矿堆积的厚度不同，固结压力也不同。 上部的压力小，则固结程度低，渗透性好；下部的压力大，则固结程度高，渗透 性差。因此，尾矿的渗透特性又是随时间和荷载而变化的。层状分布结构使尾矿的粒度分布、固结特征和渗透特性的关系更加复杂，整 体趋势是使尾矿在垂直方向上的渗透系数较水平方向小约10倍，这对尾矿库的渗流必将产生巨大影响。