基于孔隙率、级配及大小的岩土体三维迂曲度计算方法

本发明涉及环境保护与生态修复，具体是基于孔隙率、级配及大小的岩土体三维迂曲度计算方法。

背景技术：

1、迂曲度作为表征流体流经多孔介质孔隙通道的过程参量，可反映多孔介质孔隙通道的分布发育程度。目前，一些学者对多孔介质迂曲度开展了一定的研究。郁伯铭等通过假定土体颗粒为正方形形状推导了迂曲度和孔隙率间的几何关系式，li、袁培等基于sierpinski carpet的自相似性推导了迂曲度与孔隙率呈分形维数的函数关系，matyka基于格子玻尔兹曼方法研究了多孔介质迂曲度-孔隙度关系，lanfrey等在假定孔隙通道面积不变的情况下提出了一个关于孔隙率的迂曲度模型，李滔分析了微多孔介质迂曲度与孔隙结构的关系。颜瀚、戴邵衡、甘进等在假设土体颗粒为正方形颗粒及大小相等的条件下研究了考虑孔隙率和颗粒排列影响的土体迂曲度模型，黎章等在假设土体颗粒为圆形的情况下建立了考虑土体颗粒级配的几何迂曲度模型。薛东杰基于毛细管模型与hagen-poiseuille公式及达西定律建立微观的迂曲度表达式，饶登宇基于光滑粒子流体动力学（sph）方法对重构三维土柱进行仿真试验及采用曲线拟合获取其扩散迂曲度值，ahmadi等通过考虑球形颗粒在三维空间内正方体和四面体排列方式与采用平均体积法建立了等粒径球体迂曲度模型。

2、如专利公开号为“cn109993786b”、名称为“迂曲度获取方法、装置、设备以及存储介质”的中国发明专利，其通过获取储集岩的孔隙网络模型，根据第一坐标数据和第二坐标数据确定第一孔隙和第二孔隙之间的直线距离；根据分布数据确定第一通道集合，并从第一通道集合筛选距离最短的第一通道作为第二通道，根据直线距离和第二通道的距离确定第一孔隙和第二孔隙之间的第一路径迂曲度，根据第一路径迂曲度集合确定储集岩的迂曲度。该技术以取储集岩为对象开展研究，通过图像处理得到其孔隙网络模型，在利用取储集岩的孔隙网络模型获得它的迂曲度；而本发明针对松散破碎岩土体的三维迂曲度开展探索，因此它们具有不同的迂曲度确定方法。

3、再如专利公开号为“cn113297815a”、名称为“一种考虑多孔松散介质迂曲度的宾汉姆型水泥浆液渗透注浆扩散半径计算方法”的中国发明专利，又如专利公开号为“cn114720331b”、名称为“岩土体迂曲度幂律浆液时变性的柱半球渗透半径确定方法”的中国发明专利。这2个发明专利技术仅考虑了多孔介质迂曲度影响的渗透注浆扩散半径确定方法且将迂曲度均认为一定值，而未提出迂曲度的具体计算方法，而本发明则针对松散破碎岩土体的三维迂曲度如何计算得到开展探索。

4、综上所述，目前确定岩土体迂曲度的技术方法主要存在2个方面的问题：（1）假设岩土体为正方形或圆形（球形）颗粒，这不能反映岩土体实际的颗粒分布特征；（2）当前的迂曲度计算模型，要么包含的岩土体性质指标单一，如目前的绝大多数迂曲度计算模型仅考虑了岩土体孔隙率的影响，由此计算得到的迂曲度理论值与岩土体实际的迂曲度指标相差大；要么复杂包含的参数多且这些参数确定极其困难，不能在实践中应用来确定岩土体的迂曲度。由此可见，目前的岩土体迂曲度计算方法难以满足工程实践的需求，不能合理有效地确定松散破碎岩土体实际的三维迂曲度指标。

5、因此，急需要提出一种符合工程实践需求且能合理有效确定松散破碎岩土体三维迂曲度的计算方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于孔隙率、级配及大小的岩土体三维迂曲度计算方法，解决了现有技术中岩土体三维迂曲度计算难以兼顾准确性与简便性的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了基于孔隙率、级配及大小的岩土体三维迂曲度计算方法，所述方法包括：获取松散破碎岩土体原始试样的颗粒级配曲线、细粒部分和粗粒部分；基于所述颗粒级配曲线得到有效粒径、三十百分比粒径、六十百分比粒径与平均粒径；根据所述有效粒径、所述三十百分比粒径和所述六十百分比粒径计算不均匀系数和曲率系数；基于预先获取的所述松散破碎岩土体原始试样的试样密度、质量含水量和松散破碎岩土体比重，利用所述细粒部分和所述粗粒部分计算孔隙率；基于所述有效粒径、所述平均粒径、所述不均匀系数、所述曲率系数和所述孔隙率计算三维迂曲度。

3、本发明通过依次获取岩土试样级配、粗细粒组分以完整还原真实颗粒分布，摆脱传统模型等径/规则颗粒假设偏差，依托级配曲线读取多特征粒径精准量化颗粒粗细构成，再计算不均匀、曲率系数全面表征级配优劣，结合湿密度、质量含水量、分粒组比重加权测算孔隙率，兼顾粗细粒孔隙贡献，最后融合粒径、级配、孔隙率多参数解析三维迂曲度，全部输入参数均可采用常规土工试验测得，无需微观扫描、数值仿真等高成本手段，兼顾计算精度与现场工程实用性。

4、可选地，所述获取松散破碎岩土体原始试样的颗粒级配曲线、细粒部分和粗粒部分包括：采用筛析法对松散破碎岩土体原始试样进行筛分处理得到粗粒部分和细粒部分；对所述粗粒部分进行颗粒分析处理得到粗粒级配数据，并对所述细粒部分进行颗粒分析处理得到细粒级配数据；将所述粗粒级配数据和所述细粒级配数据进行合并，得到所述颗粒级配曲线。

5、本发明通过筛析法分离试样粗细粒组分，完整捕获全粒组颗粒信息，避免单一粒径分析遗漏细粒或粗粒特征，分别对粗、细粒开展颗粒分析获取对应级配数据再拼接整合生成完整级配曲线，消除粗细粒分段测试带来的数据断层，还原岩土真实连续颗粒分布，提高了颗粒级配表征的完整性与试验数据可靠性。

6、可选地，所述基于所述颗粒级配曲线得到有效粒径、三十百分比粒径、六十百分比粒径与平均粒径包括：在所述颗粒级配曲线的纵坐标上选取十个百分比点、三十个百分比点、六十个百分比点和五十个百分比点；根据所述十个百分比点利用所述颗粒级配曲线计算有效粒径；根据所述三十个百分比点利用所述颗粒级配曲线计算三十百分比粒径；根据所述六十个百分比点利用所述颗粒级配曲线计算六十百分比粒径；根据所述五十个百分比点利用所述颗粒级配曲线计算平均粒径。

7、本发明通过在颗粒级配曲线纵坐标选取10%、30%、60%、50%四个特征百分比点位，分别对应读取有效粒径、三十百分比粒径、六十百分比粒径、平均粒径，多点位提取可同步表征土体细粒、中间粒、粗粒及整体中位颗粒水平，单一点位取值易丢失级配完整特征，多特征粒径同步获取能全面覆盖颗粒分布区间，提高了土体颗粒粗细特征量化的全面性。

8、可选地，所述根据所述有效粒径、所述三十百分比粒径和所述六十百分比粒径计算不均匀系数和曲率系数包括：根据所述六十百分比粒径与所述有效粒径计算不均匀系数；根据所述三十百分比粒径、所述六十百分比粒径、所述有效粒径计算曲率系数。

9、本发明通过利用六十百分比粒径与有效粒径计算不均匀系数以反映颗粒分布宽窄，再结合三十百分比粒径、六十百分比粒径、有效粒径求解曲率系数以表征级配曲线连续形态，两组系数搭配可完整评判岩土颗粒级配优劣，弥补单一参数无法同时体现颗粒均匀度与分布连续性的缺陷，提高了土体级配特征评价的准确性。

10、可选地，所述基于预先获取的所述松散破碎岩土体原始试样的试样密度、质量含水量和松散破碎岩土体比重，利用所述细粒部分和所述粗粒部分计算孔隙率包括：对所述松散破碎岩土体原始试样进行密度测量处理，得到试样密度；采用烘干法对所述松散破碎岩土体原始试样进行烘干处理，并基于所述烘干处理的结果计算质量含水量；采用比重瓶法计算所述细粒部分的细粒比重；采用虹吸筒法计算所述粗粒部分的粗粒比重；基于所述细粒比重和所述粗粒比重计算松散破碎岩土体比重；利用所述试样密度、所述质量含水量、所述松散破碎岩土体比重和预先获取的四摄氏度蒸馏水密度计算孔隙率。

11、本发明通过实测试样密度、烘干法测得含水率，分粒组采用比重瓶法、虹吸筒法分别测定粗细粒比重并加权得到综合比重，再结合四摄氏度蒸馏水密度精准求解孔隙率，区分粗细粒比重差异避免统一取值带来的物性偏差，多维度土工试验数据联动计算孔隙率，提高了孔隙率测算精度。

12、可选地，所述基于所述有效粒径、所述平均粒径、所述不均匀系数、所述曲率系数和所述孔隙率计算三维迂曲度包括：获取水的动力黏度、水的密度和重力加速度；根据所述有效粒径、所述平均粒径、所述不均匀系数、所述曲率系数、所述孔隙率、所述水的动力黏度、所述水的密度和所述重力加速度计算三维迂曲度。

13、本发明通过引入水的动力黏度、水密度、重力加速度等流体基础参数，同时纳入有效粒径、平均粒径、不均匀系数、曲率系数、孔隙率多类岩土自身指标协同计算三维迂曲度，兼顾介质孔隙结构、颗粒级配与渗流流体属性多重影响，摒弃仅单一考虑孔隙率的简化模型，提高了松散破碎岩土三维迂曲度计算结果与真实渗流通道特征的贴合度。

14、可选地，所述根据所述有效粒径、所述平均粒径、所述不均匀系数、所述曲率系数、所述孔隙率、所述水的动力黏度、所述水的密度和所述重力加速度计算三维迂曲度包括：构建微观尺度流量表达式和宏观尺度流量表达式；根据获取的迂曲度几何定义、所述微观尺度流量表达式和所述宏观尺度流量表达式构建三维迂曲度基础解析表达式；基于分形理论获取孔隙尺寸的分形幂律分布，并基于所述孔隙尺寸的分形幂律分布得到平均孔隙半径解析表达式；构建渗透率-渗透系数关系表达式；将所述平均孔隙半径解析表达式和所述渗透率-渗透系数关系表达式代入所述三维迂曲度基础解析表达式得到三维迂曲度最终解析表达式；将所述有效粒径、所述平均粒径、所述不均匀系数、所述曲率系数和所述孔隙率代入所述三维迂曲度最终解析表达式得到三维迂曲度。

15、本发明通过联立微观、宏观流量公式推导迂曲度基础解析式，依托分形理论推导平均孔隙半径表达式，建立渗透率与渗透系数关联式，再将两类表达式代入化简得到最终解析公式，把微观孔隙参数转化为常规土工可测指标，无需微观观测与数值模拟，综合颗粒、孔隙、流体多重影响因素求解迂曲度，提高了松散破碎岩土三维迂曲度理论计算的科学性与工程实操便捷性。

16、可选地，所述基于分形理论获取孔隙尺寸的分形幂律分布，并基于所述孔隙尺寸的分形幂律分布得到平均孔隙半径解析表达式包括：基于分形理论获取孔隙尺寸的分形幂律分布；基于所述孔隙尺寸的分形幂律分布得到平均孔隙半径通用解析表达式；获取分形维数基础表达式和直径-孔隙率关系式；根据所述直径-孔隙率关系式和所述分形维数基础表达式得到分形维数表达式。将所述分形维数表达式代入所述平均孔隙半径通用解析表达式得到平均孔隙半径解析表达式。

17、本发明通过依托分形理论建立孔隙尺寸幂律分布并推导平均孔隙半径通用式，结合分形维数基础式与粒径孔隙率关联式换算得到可由土工参数求解的分形维数，再代入通用式得到平均孔隙半径解析解，将难以直接观测的微观孔隙特征转化为常规试验可测指标，规避压汞、扫描等微观测试手段，提高了平均孔隙半径推演的可行性与计算精度。

18、可选地，所述构建渗透率-渗透系数关系表达式包括：获取渗透率-渗透系数初始表达式和渗透系数相关经验模型；将所述渗透系数相关经验模型代入所述渗透率-渗透系数初始表达式得到渗透率-渗透系数关系表达式。

19、本发明通过调取渗透率与渗透系数基础换算式，融合包含孔隙比、级配、特征粒径的渗透系数经验模型联立推导关联表达式，打通微观渗透率与土工常规测试指标的换算通道，省去单独测定渗透率的复杂试验流程，实现参数之间便捷转换，提高了迂曲度推演过程中渗透相关参数换算的便捷性，简化整体三维迂曲度求解流程。

20、可选地，所述三维迂曲度满足如下公式：

21、，

22、其中，为三维迂曲度，为孔隙率，为水的密度，为重力加速度，为平均粒径，为有效粒径，为不均匀系数，为曲率系数，为水的动力黏度。

23、本发明通过整合孔隙率、多特征粒径、级配系数、水体物理参数构建三维迂曲度完整解析公式，融入分形孔隙分布规律精准刻画岩土内部孔隙通道几何特征，无需微观扫描、数值模拟等复杂试验手段，仅依托常规土工试验可测得参数即可完成计算，充分兼顾颗粒粗细、级配优劣、孔隙占比与渗流流体属性多重影响因素，规避传统单一参数简化模型带来的失真问题，提高了松散破碎岩土三维迂曲度计算结果的理论完备性与工程测算精度。