2.3　試驗方案

2.3.1　粗粒石滲流試驗方案

從粗粒石的滲透特征來看，影響粗粒石滲透性能的因素主要有粒徑、厚度、壓實性能以及容重等。此外，考慮到實際應(yīng)用，粗粒石承壓水頭也是影響其滲流量的主要因素，因此，在基于多個承壓水頭作用的基礎(chǔ)上，就粗粒石的粒徑、鋪設(shè)厚度、壓實性能以及容重這些因素來進行粗粒石滲透性能的探討，具體試驗方案如下：

承壓水頭：3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m。

粗粒石粒徑：5mm、20mm、60mm。

粗粒石厚度：30cm、50cm、70cm、90cm。

粗粒石容重：18.62N/cm3、21.23N/cm3、23.19N/cm3、24.50N/cm3、25.15N/cm3。

壓實方法：松填、分層木槌夯實、人工重錘夯實與高壓水頭共同作用。

1.試驗總體設(shè)計

由于試驗的研究對象、研究內(nèi)容和研究目的的不同，試驗按照不同的類型分階段進行。試驗的總體設(shè)計如下：

（1）測定三種不同粒徑粗粒石在自然堆積狀態(tài)下的孔隙率。該試驗組的主要目的在于對三種粗粒石在自然堆積狀態(tài)下的孔隙率有定量的把握，也作為探討粗粒石壓實性能的初始條件。

（2）測定三種粗粒石的最小干密度、人工夯實干密度以及最大干密度。該試驗組的主要目的在于探討三種粗粒石的壓實性能以及壓實性能對單位滲流量的影響。

（3）測定不同水頭作用下，單一參數(shù)變化對粗粒石滲流量的影響。該試驗組主要探討單一參數(shù)（粒徑、厚度、容重）變化對粗粒石滲流量的影響，通過相關(guān)分析及曲線擬合，定性得出其相關(guān)關(guān)系，為實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2.粗粒石初始孔隙率測定

對于三種不同粒徑的粗粒石，測定其自然堆積狀態(tài)下的孔隙率即是試驗箱內(nèi)松填時的孔隙率，也可作為粗粒石壓實性能的初始條件。

粗粒石自然狀態(tài)下（松填）孔隙率的測定方法如下：

（1）取一定量的粗粒石，置于清水池中，將粗粒石表層粉塵及泥沙沖洗干凈后，自然風(fēng)干。

（2）將樣品置于2000mL量筒內(nèi)（松填），水平放置后，使其表層與某一刻度線齊平，該讀數(shù)即為樣品的表觀體積V。

（3）另取2000mL的量筒，量取自來水V1，緩慢注入樣品量筒中，使得液面與粗粒石表層剛好齊平。

（4）讀取剩余水量V2，則粗粒石孔隙所占體積V3=V1-V2

（5）求得粗粒石孔隙率n=V3/V×100%

3.粗粒石的壓實性對滲流特性影響的試驗方案

本試驗組按《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）進行，粗粒石的人工夯實密度采用分層木槌夯實法測定，最小干密度采用松填法測定，最大干密度通過重錘夯實以及高壓水流沖擊以達到體積不再發(fā)生變化而得到。充分風(fēng)干粒徑d為5mm、20mm、60mm三種粗粒石，進行壓實性能測定。

（1）最小干密度測定。采用人工松填灌注法將試樣桶裝后倒入試驗箱（試驗箱尺寸為：長a=0.6m；寬b=0.5m；高c=1.2m），每桶試樣在倒入之前，分別稱其重量并記錄。松填時，保持粗粒石自由下落的距離為2～5cm之間，當(dāng)填筑高度距試驗箱口70cm左右時，停止加料，用平鏟將試樣刮平后，采用鋼直尺測量試樣頂部距箱口的距離并記錄，測量時，以“田”字形方格中選取至少4個點進行測量，然后取其平均值作為c1，則人工松填高度L1=c-c1。此時，試樣裝填總質(zhì)量為ms，最小干密度：ρdmin=ms/Vc=ms/（abL1）。

（2）人工夯實干密度測定。取質(zhì)量ms的粗粒石試樣進行分層裝填，每層裝填厚度大約為10cm，試驗人員用木槌進行夯實后，再進行下一層，每層夯實大約5分鐘，直至質(zhì)量ms的粗粒石試樣完全夯實，此時粗粒石試樣已基本密實，不再有下沉變化，用平鏟將試樣刮平后，采用鋼直尺測量試樣頂部距箱口的距離并記錄。測量時，以“田”字形方格中選取至少4個點進行測量，然后取其平均值作為c2，則人工夯實高度L2=c-c2。此時，試樣裝填總質(zhì)量為ms，人工夯實干密度：ρd0=ms/Vt=ms/（abL2）。

（3）最大干密度測定。采用上述方法，在對粗粒石試樣人工夯實的基礎(chǔ)上，使試驗箱在高壓水流條件下再度密實，待試樣體積已無變化時，采用鋼直尺測量試樣頂部距箱口的距離并記錄。測量時，以“田”字形方格中選取至少4個點進行測量，然后取其平均值作為c3，則高度L3=c-c3。此時，試樣裝填總質(zhì)量為ms，最大干密度：ρdmax=ms/Vs=ms/（abL3）。

（4）相對密度計算。

式中：ρd0為人工夯實干密度；ρdmin為最小干密度；ρdmax為最大干密度。

（5）滲流量計算。在承壓水頭H=7.38m條件下，分別對三種粗粒石在松填和人工夯實情況下作滲透試驗，待壓力表讀數(shù)保持穩(wěn)定不變時，讀取直角三角堰測針讀數(shù)，計算出水流量。

4.粗粒石容重對滲流特性影響的試驗方案

該試驗組所采用的不同容重，是以恒定的鋪設(shè)厚度和滲透斷面為條件，因此，所取的不同容重可以通過多次振搗、加量，以質(zhì)量的變化表征粗粒石容重的變化。考慮到三種粒徑粗粒石的壓實性能，該試驗組選取d=5mm粗粒石作為研究對象，選定厚度50cm，頂部設(shè)有防沖層。通過調(diào)節(jié)供水閥門，使封閉試驗箱體達到指定水頭3m，待出水流量穩(wěn)定且壓力表讀數(shù)保持不變時，讀取直角三角堰測針讀數(shù)，計算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水頭對應(yīng)的出水流量。

試驗完畢后，打開箱體，移除防沖板，測量粗粒石層沉降量，并加以振搗，然后加料至50cm，放入防沖層，封箱，重復(fù)上述試驗。

多次振搗加料，依次得到5組不同容重的5mm粗粒石在3m、4m、5m、…、10m水頭對應(yīng)的出水流量，如圖2.5所示。

5.粗粒石粒徑對滲流特性影響的試驗方案

該試驗組分別以相同厚度的粒徑為5mm、20mm、60mm的粗粒石對箱體填充，頂部設(shè)有防沖板。通過調(diào)節(jié)供水閥門，使封閉試驗箱體達到指定水頭3m，待出水流量穩(wěn)定且壓力表讀數(shù)保持穩(wěn)定不變時，讀取直角三角堰測針讀數(shù)，計算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水頭對應(yīng)的出水流量，如圖2.6所示。

6.粗粒石厚度對滲流特性影響的試驗方案

該試驗組取同一粒徑粗粒石，分別以30cm、50cm、70cm、90cm對箱體進行填充，頂部設(shè)有防沖層。通過調(diào)節(jié)供水閥門，使封閉試驗箱體達到指定水頭3m，待出水流量及壓力表讀數(shù)保持穩(wěn)定不變時，讀取直角三角堰測針讀數(shù)，計算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水頭對應(yīng)的出水流量，如圖2.7所示。

7.試驗過程

試驗過程分為試驗準(zhǔn)備階段、試驗階段和試驗結(jié)束三個階段。

（1）試驗準(zhǔn)備階段。試驗準(zhǔn)備階段的工作主要是：①對試驗用料進行沖洗、風(fēng)干，防止攜帶的粉塵或泥沙造成孔隙淤堵，影響試驗結(jié)果；②填料，填料過程中保證粗粒石的均勻性及平整性；③試驗開始之前，要注意檢查試驗系統(tǒng)是否有漏水現(xiàn)象。

（2）試驗階段。試驗階段過程包括來水流量的調(diào)節(jié)與控制，直角三角堰讀數(shù)記錄以及箱體內(nèi)部壓力穩(wěn)定后，承壓水頭的讀取等。試驗開始后，緩慢調(diào)大流量閥，使來水充滿試驗箱，保證氣體排空，也使粗粒石達到飽和狀態(tài)。三角堰讀數(shù)基本穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)流量閥使壓力表達到指定水頭，記錄三角堰讀數(shù)。每次填料進行6～10個供水水頭的試驗，每個供水水頭下的測試內(nèi)容基本一致。

（3）結(jié)束階段。試驗結(jié)束后，打開排氣閥，等待系統(tǒng)中水流完全流出后，使用工具開卸試驗箱進行卸料工作，每次試驗結(jié)束后，對粗粒石進行風(fēng)干，重新填料。