非饱和土的渗透性函数试验
第六章非饱和土的渗透性
13
2．气相的渗透系数
透气性系数与基质吸力的关系
当有效饱和度Se用基质吸力表达时，可以得出：
对压实土的透气性曾进行过一些研究。透气性系数ka系随土的含水量或饱和 度的增加而减小。空气和水的渗透系数ka和kw是用同一个土试样在小压力梯 度下引起的稳态流动条件下测定的。在接近最优含水量时，透气性系数ka急 剧降低。在最优含水量这一点上，气相变成封闭的。同时，空气通过水扩散 而发生流动。高粘粒含量土的气封闭阶段的含水量一般高于最优含水量。
很多人都试图尝试经验预测非饱和土的渗 透性函数。这些方法都利用了土的饱和渗 透系数和土 — 水特征曲线。随着土 — 水特 征曲线方程的精确化，同样的对渗透性函 数的系数的预测也越来越可靠。 有两种方法可以得到非饱和土的渗透性函 数：（ 1 ）经验公式，和（ 2 ）统计学模型。 使用经验公式需要一些实测的渗透数据。 当已知饱和渗透系数 k s 和土—水特征曲线 时，可以使用统计学模型来预测渗透性函 数。
1973
k k s exp s
Davidson 等 1969
25
3．利用SWCC预测非饱和土的渗透性函数
非饱和土的渗透系数 k 的经验公式。
公式 参考 Brooks 和 Corey 1964
k ks
，当
aev
n
k r / aev
8
k ( ) k s s
n
a k (s) n s b
1. 广义达西定律 对饱和土来讲，砂性土的导水率肯定大于粘性土；在非饱 和土中，含水量降低到一定程度时，砂性土的导水率反而 要比粘性土小。
通过非饱和土的水流速与水力梯度呈线性比例关系，而渗 透系数是一常数，这与饱和土中的情况相同。
非饱和土渗透系数直接试验法和间接计算法
３ 洛 阳工业高 等专科 学校 ， ． 河南 洛 阳 ４ １０ ） ７０ ３
摘
要 ： 用改进 的非饱 和土三轴仪 对黄河 大堤 非饱和土进行 了土一 水特性 试验 ， 利 根据 土一 水特征 曲线计算得到渗 透 系
为 基 质 吸 力 ，Ｐ ｋａ
１ 概
述
表 １ 不 同围 压 下 体 积 含 水 量一 基 值 吸 力 拟 合 参 数
不 同土体具有不 同的孔 隙特征 和含水率 ， 从而 具有不 同的 渗透流速 。渗透 系数是综合反 映土体 渗透能力 的一个指 标 ， 获 得非饱和土渗透 系数 的方法有 间接计 算法和直 接试验法 两种 ， 间接计算法利用土一水特征 曲线 。。 ‘ 计算 渗透 系数 ， 于经验 属
和土。
Ｅ ｍａｌ ｚｔ ０ １ ６ ０ ｓ ａ ｅ ｍ — ｉ：ｈ２ ０ ０ １ ＠ ｉ ． ｏ ｎ
式 中－ 、 、、 ＇ ｂ ｃｄ为拟合参 数 ， Ｃ 其值 见表 １ ０为 体积 含水 量 ， ； ； ％ ｈ
・
１９・ ３
人 民 黄 河
２ｔ ０ １年第 ４期
基 质吸力 ／Ｐ ｋａ
２ ０ ４ ０
堡
。
板底部要进 行冲洗操 作 。
ｌ Ｏ
２ ３ 试 验 结果 ．
不 同 围压 下 体积 含水 量一 基 值 吸力 关 系 ， 土 一 水 特 性 实 即
０
基 质吸力 ／ ａ ｋ Ｐ
测结果见 图 １ ～图 ４ 。对 试验 数据 进行 拟合 ， 到不 同围压 下 得 体积含水量一基值 吸力 的拟合 函数
０ １ ０ ２ ０ ３ Ｏ ４ ０ ５ ０ ６ ０
水土特征曲线与渗透系数函数取值参考
水土特征曲线与渗透系数函数取值参考对水土特征曲线与渗透系数函数取值参考,同时分别采用Gardner、Fredlund和Xing以及Van Genuchten土水特征曲线方程对试验数据进行拟合,得出其土水特征曲线方程,分析不同模型对试验土样的适宜性;根据土水特征曲线方程,采用Gardner和Van Genuchten模型对其非饱和渗透系数进行预测,分析不同模型、吸湿脱湿两个过程的差异性,建议对不同工况采取不同的渗透模型。
土水特征曲线(SWCC)指土体持水状态与吸力间的关系曲线,由于非饱和土的渗透、强度、体变等力学性质均与SWCC相关,SWCC是描述非饱和土性状的重要工具。
渗透系数表示流体通过孔隙骨架的难易程度,是土体渗流计算时必须用到的一个基本参数。
非饱和土中,由于空气占据了一部分孔隙,非饱和渗透系数总是小于饱和渗透系数,它是非饱和土体积含水率的函数,是一个变量。
在岩土工程实践中,只有将土水特征和非饱和渗透系数用解析表达式表达出来,才能够用于预测土体的力学与水力学行为。
因此,构建合理的土水特征曲线方程与渗透系数模型是非饱和土力学研究中的重要问题。
本文基于毛细理论与统计学孔径分布理论,构建了基于指数分布的土水特征曲线方程与渗透系数模型,主要结论如下：(1)基于毛细理论,采用指数分布作为土体孔隙半径概率密度函数,构建了以饱和度为因变量,吸力为变量的单参数土水特征曲线方程,方程参数λ的倒数为孔隙半径期望值,具有明确的物理意义。
数值模拟表明该模型能够有效描述砂土、粉土与黏土的土水特征,形式简单,使用方便。
(2)同为单参数模型,基于指数分布的土水特征曲线方程对砂土、粉土与黏土土水特征曲线试验数据的拟合效果均远优于Brooks-Corey模型。
(3)基于统计学孔径分布理论,将基于指数分布的土水特征曲线方程代入Burdine方程获得分别用饱和度与吸力表达的非饱和相对渗透系数方程。
数值模拟表明基于指数分布的非饱和相对渗透系数方程能够较为准确地预测砂土、粉土与黏土的非饱和渗透系数。
非饱和土渗透系数的试验研究
ＴＥＳ Ｎ Ｇ ＴＵＤＹ Ｎ ＴＩ Ｓ ｏ ＰＥＲＭ ＥＡＢＩ ＴＹ ＡＲＡＣＴＥＩ Ｓ ＣＳ ｏＦ ＬＩ ＣＨ Ｕ ＴＩ ＵＮ Ｓ ＡＴＵ ＲＡＴＥＤ ＳｏＩ Ｌ
ＬＩ ＡＮＧ ｎ ． Ｉ Ｘｉ ｏ Ａｉｍｉ Ｌ Ｕ ａ
（ ．ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ｉｅｔｒ ｖｌ ｎ ｉｅ ｒ ， ｉｇ ａ ｇ ｈ ｎＵｎｖｒｉ ， ｉｎＪａ ｇ ｉ ４ ０ ９ Ｃｈｎ ； １Ｓ ｈ ｏ Ａｒｈｔｃｕ ｅＣｉｉＥ ｇｎ ｅｉ Ｊｎ ｇ ｎ ｓａ ｉｅｓｔ Ｊａ ，ｉｎ ｘ ３ ０ ， ｉａ ｏ ｎｇ ｙ ３
ｏ ｓ ｔｓｅ ｎ ｔ ｄｅ ，ｗｈｃ ｅｓ ｕ ｅ ｍｅｈ ｄ ｆｒ ｄｒ ｃ ａｕ ｉｇ ｔ ｅ ｈ ｄａ ｌ ｏ ｄ ｃｉｉ ｆ ｆ ｉ ｅｔｄ ａ ｄ ｓｕ ｄ ｉ ｉｈ ｓｔ ｐ ａ ｎ ｗ ｔｏ ｏ ｅ ｔ ｍｅ ｓ ｒｎ ｈ ｙ ｒ ｕｉ ｃ ｎ ｕ ｔ ｔ ｏ ｉ ｃ ｖｙ ｕ ｓ ｔｒｔｄ ｓ ｉ． ｃ ｒ ｉｇｔ ｈ ｅｔｒ ｓ ｌ ， ｈ ｅａｉｎ ｂ ｔ ｅ ｔｒｃ ｎｅ ｔ ｎ ｙ ａ ｌ ｏ ｄ ｃｉｉ ｓ ｎ ａｕ ａｅ ｏｌ Ａｃ ｏｄｎ ｏｔ ｅｔｓ ｅｕｔ ｔｅ ｒｌｔ ｅｗｅ ｎ ｗａｅ ｏ ｔｎ ｄｈ ｄ ｕｉ ｃ ｎ ｕ ｔ ｔ ｉ ｓ ｏ ａ ｒ ｃ ｖｙ
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非饱和渗流
非饱和渗流中渗透系数计算的推导（1） 拟合由实验测出测点的含水率和基质吸力的实验数据，所测得的含水率可算出其有效饱和度，即有效饱和度可由含水率表示出来，然后再用VG 模型拟合出土体的水分特征曲线SWCC 。
式中: 为有效饱和度，，为基质吸力。
拟合出VG 模型中的三个参数，即可得到有效饱和度与基质吸力的关系SWCC 曲线。
用所得到的有效饱和度，再由VG 模型可得到相对渗透系数与有效饱和度的关系而非饱和渗透系数与相对渗透系数的关系是：k w = k r w k s由土常规物理实验可测得土体的饱和渗透系数，即可得到非饱和渗透系数与含水率的函数。
（2）达西定律直接计算 由法国水力学家 H.-P.-G.达西在1852～1855年通过大量实验得出，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。
这个定律说明水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比。
达西定律是多孔介质中流体所应满足的运动方程。
质量守恒是物质运动和变化普遍遵循的原理，将质量守恒原理具体应用在多孔介质中的流体流动即为连续方程。
达西定律和连续方程相结合便导出了土体中水分运动的基本方程。
根据达西(Darcy)定律和质量守恒定律，对于二维问题非饱和土壤水运动的基本微分方程如下：()()x y K K t x x y y θϕϕθθ⎡⎤∂∂∂∂∂⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥∂∂∂∂∂⎣⎦⎣⎦式中θ为体积含水量；φ为总水势(总水头)，由基质势和重力势组成，φ= y+h ，y 为重力势(位置势)，h 为基质势；x K ，y K 为x ，y 方向的渗透系数，若土体为各向同性，则x K =y K =K （θ）由于非饱和渗透系数是基质吸力或者含水率的函数，故此方程为一个二阶非线性的偏微分方程，除少量问题外，一般情况下对此方程的解析求解是困难的，很多的问题需要用数值法求解。
由于非饱和土的渗透系数K 可以是基质吸力(负压水头)的函数，因此方程(5.1)的左端可以改写为：采用水头H 作为控制方程的因变量，得到非稳定流控制方程-Richards 方程为：()()x y w w H H H k k Q m x x y y tγ∂∂∂∂∂++=∂∂∂∂∂ 式中：x k 和y k 为x 和y 方向的渗透系数。
非饱和土的渗透系数
非饱和土的渗透系数
孙大松;刘鹏;夏小和;王建华
【期刊名称】《水利学报》
【年(卷),期】2004(000)003
【摘要】非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择.分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性.本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式.与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致.
【总页数】5页(P71-75)
【作者】孙大松;刘鹏;夏小和;王建华
【作者单位】江苏省交通规划设计院,江苏,南京,210000;江苏省交通规划设计院,江苏,南京,210000;上海交通大学,建筑工程与力学学院,上海,200030;上海交通大学,建筑工程与力学学院,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】P642.11
【相关文献】
1.一维稳态流非饱和土渗透系数垂直分布模型及其线性简化 [J], 程大伟;陈茜;安鹏;郭鸿;郑睿
2.基于统计模型的非饱和土渗透系数函数研究 [J], 王晓峰;时红莲;唐志政;牛超颖
3.基于差分法及试验联合确定非饱和土渗透系数的方法 [J], 江明; 王世梅; 张兰慧; 刘凡
4.由土-水特征曲线预测非饱和混合填料渗透系数 [J], 马洪波;师占宾;孙文
5.非饱和土渗透系数试验与模型预测及验证 [J], 刘小文;罗海林;陈嘉帅
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非饱和渗透系数
非饱和渗透系数是土壤水分运动的重要参数，它决定了水分在非饱和土体中迁移的速率。
非饱和渗透系数与饱和渗透系数之间存在一定的相关性，通常呈正相关关系。
这是因为土壤孔隙度与渗透系数之间呈正相关关系，当土壤孔隙度变大时，渗透系数也会随之增加。
此外，非饱和渗透系数还受到土壤类型、土壤含水量等因素的影响。
在非饱和状态下的土壤中，有气相存在，随着饱和度增大，气相逐渐排出，液相比例逐渐增大，液相的流动性就越好，非饱和渗透系数随之增大。
同时，非饱和渗透系数与基质吸力之间也存在一定的关系，随着基质吸力的增大，非饱和渗透系数逐渐减小。
计算非饱和渗透系数的方法有多种，其中Gardner分析方法基于水力扩散系数，结合土水特征曲线推算出非饱和渗透系数。
此外，全吸力范围的非饱和土水力渗透系数定义为表观渗透系数，包含毛细水渗透系数、膜态水渗透系数和气态水渗透系数，通过剖析不同形态水分在非饱和土体中迁移机理，推导得出其数学表达。
非饱和土试验方法标准
非饱和土试验方法标准非饱和土试验方法标准非饱和土是指土壤的水分含量处于飽和度以下的状态。
在工程领域中，非饱和土的性质对土壤力学行为和工程设计具有至关重要的作用。
因此，对于非饱和土的试验方法进行规范化和标准化，是确保工程质量和安全的重要手段。
试验方法标准1.试验目的和范围在进行非饱和土试验前，需制定试验目的和范围，明确试验的目标和测试的内容。
通常包括试验样品的制备、各种试验参数的测定、分析和处理数据等。
2.试验样品的制备确定试验样品的初始含水量和实验时的水分控制方式，样品需要经过充分搅拌、筛分处理，以确保样品的一致性和代表性。
3.测定水分特性曲线水分特性曲线是研究非饱和土力学特性和积水问题的基础。
测定水分特性曲线时需考虑土壤类型、土壤结构、测试条件和数据处理方法等方面的影响因素。
4.测定质量-体积-水分关系试验过程中，需要测定非饱和土的质量、体积和水分含量的关系。
这一关系是对于非饱和土的力学特性和应用性能进行估计和研究的重要依据。
5.测定比容与体积应变关系比容与体积应变关系是非饱和土试验中最重要的几种试验之一。
通过测定比容与体积应变关系，可以确定非饱和土的母线力学特性，如剪切强度、抗裂性和压实性能等。
6.加速试验和模型试验对于一些难以控制和测定的试验参数和性能指标，如非饱和土的渗透系数和侵蚀性能等，可采用加速试验和模型试验手段进行研究。
加速试验可通过在较短时间内模拟非饱和土的水分变化和力学变化来获取试验数据；而模型试验则将非饱和土的试验数据在小尺度上进行加工，来获取非饱和土的力学特性。
总之，严格遵循非饱和土试验的规范和标准，是确保试验结果准确可靠的重要手段。
同时，试验数据的合理分析和有效处理，是确保非饱和土工程设计和施工质量的关键。
饱和-非饱和黄土渗透性的各向异性研究
饱和-非饱和黄土渗透性的各向异性研究摘要：黄土作为特殊土之一，广泛分布于我国西北干旱半干旱地区。
以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象，用变水头渗透仪测量原状黄土横向及竖向渗透系数，结果表明：原状黄土横向饱和渗透系数为竖向饱和渗透系数的3.51倍；原状黄土横向（竖向）基质吸力与体积含水率关系由压力板仪测得，结合横向（竖向）饱和渗透系数得到对应方向的非饱和渗透系数函数，结果表明：原状黄土渗透性的各向异性随着基质吸力的增大而降低。
关键词：原状黄土；渗透性；各向异性；微观结构我国的黄土面积约有64×104km2，约占我国国土面积的72.4%。
发生在这些地区的黄土湿陷、边坡失稳、土坝损坏等问题多与水在黄土中的渗流作用相关。
因此，研究黄土的渗透性具有重要的工程意义。
1试验方案1.1试验内容试验所用黄土取自西安市碑林区某基坑，为Q3黄土。
试验是在常温下进行的，不考虑温度对试验结果的影响。
（1）采用变水头渗透仪测量原状黄土的饱和渗透系数。
（2）采用压力板仪测定原状黄土基质吸力与体积含水率关系。
2 试验结果与分析2.1 黄土-土水特性图1为原状黄土不同方向基质吸力与体积含水率关系图。
图1原状黄土体积含水率与基质吸力关系压力板仪测得的基质吸力与含水率关系仅为土水特征曲线的一小部分。
目前VG模型[3]被广泛用于描述土-水特征曲线：（1）式中：ψ为吸力；θ为体积含水率；θr为残留含水率；θs 为准饱和含水率；α，m，n为优化参数，其中m=1−1/n。
VG模型对原状黄土不同方向的拟合结果θs=41.85%、θr=13.55%、α=0.0687、n=1.7156、R=0.996。
其中R为根据拟合参数计算结果与实测结果的相关系数。
2.2饱和-非饱和渗透系数的确定变水头渗透试验测得的原状黄土不同方向的饱和渗透系数为：横向渗透系数平均值5.82×10-5cm/s，竖向渗透系数平均值1.66×10-5cm/s。
渗水试验报告
渗水试验报告水试验是野外渗测定包气带非饱和岩（土）层渗透的简易方法。
利用渗水试验，可提供灌溉设计、研究区域水均衡以及计算山前地区地表水渗入量。
一、实验目的野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数 二、实验方法对砂土和粉土，可采用试坑法或单环法；对粘性土应采用 试坑双环法。
（1）试坑法：装置简单；受侧向渗透的影响大，实验成果精度差。
（2）单环法：装置简单；受侧向渗透的影响大，实验成果精度稍差。
（3）双环法：装置较复杂；基本排除了侧向渗透的影响，实验成果精度较高。
注：当圆坑的坑壁四周有防渗措施，是坑内的渗水面积：2r F π=，式中r 试坑底半径。
当坑壁四周无防渗措施时：)2(z r r F +=π，式中r 试坑底半径；z 为试坑中水层厚度。
三、实验原理在野外一定的水文地质边界内，挖一试坑，坑底离潜水位3-5m 。
在坑底嵌入两个铁环，试验时同时往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都在同一高度。
当渗入的水量达到稳定时，再利用达西定律的原理求出野外松散岩层的渗透系数。
()L Z H F LQ K ++⨯⨯=kL L Z H J k ++=J ：水力坡度（m/d ）错误!未找到引用源。
：毛细压力水头（m ），查表得知经验数值。
F ：内环面积（cm 2）Z ：环内水层厚度（10cm ）L ：实验结束时渗透深度（cm ）通过麻花钻2个比较而得。
Q ：稳定流量（m 3/min ） 四、实验仪器双环、铁锹、供水瓶、支架、洛阳铲、尺子 五、实验步骤双环法是在试坑底嵌入两个铁环，外环直径采用0.5mm ，内环采用0.25mm 。
试验时往铁环内注水，内外环的水头需始终保持一致，避免相互渗漏。
（1）选择试验场地，挖坑。
最好在潜水埋藏深度大于5m 的地方为好。
如果潜水埋深小于2m 时，因渗透路径太短，测得的渗透系数不真实，就不要使用渗水试验。
岩（土）名称岩（土）名称 中砂 0.05 细砂 0.1 粉砂 0.2 粉土 0.5 粉质粘土 0.6（2）按双环法渗水试验示意图，安装好试验装置。
非饱和土的土水特性曲线与抗剪强度
土一水特征试验数据的VG模型曲线拟合
近几年来，Van—Genuchten所给出的模拟土水特征曲线的公式引 起来较广泛的讨论和重视，实践证明，该公式几乎适用于所有质地的 土壤，对绝大多数土壤在相当宽的吸力或含水量范围内具有普遍性， 并可结合统计的孔径分布模型得到渗透系数的解析解，成为土壤物理 学领域最为普遍使用的描述土水特征曲线的通用方程。其表达式为：
饱和土的抗剪强度公式：
ff c'( f uw ) f tan '
非饱和土的抗剪强度公式：
ff c'( f ua ) f tan '(ua uw ) f tan b
C’—Mohr-Coulomb破坏包线的眼神与剪应力的延伸与剪应力轴的截距，在剪 比较两式可见，非饱和土的抗剪强度公式是饱和土抗剪强度公示的引申。 应力轴处的破坏净法向应力和基质吸力均为零。也叫做有效粘聚力； 非饱和土需用两个应力状态变量来描绘其抗剪强度，而饱和土仅需一个应力状 (σf-ua)f—破坏时在破坏面上的净法向应力状态； 态变量（既有效法向应力 ( u ) ），非饱和土的抗剪强度公式能平顺的过渡到 uaf—破坏时在破坏面上的孔隙水压力； 饱和土的抗剪强度公示。当土接近饱和时，孔隙水压力uw接近空隙气压力ua， φ’—与净法向应力状态变量(σf-ua)f有关的内摩擦角； 因此基质吸力( ua uw )趋于0，非饱和土抗剪强度公式中的基质吸力项消失，从 (ua-ua)f—破坏时在破坏面上的基质吸力； 而变为饱和土的公式。 φb—表示抗剪强度随基质吸力(ua-ua)f而增加的速率。
f w f
引申的Mohr-Coulomb破坏包线
从图中可以看出，平面的破坏包面 在剪应力轴上的截距为粘聚力c’。此破坏 b φ 包面 基质吸力 和 轴之间的坡角 (ua- uw) 与 分别为φ’和φb两者都假定是常数。粘聚力 c’，以及坡角φ’和φb是将抗剪强度和应力 状态变量联系起来的强度参数。抗剪强度 参数取决于密度、空隙比 、饱和度、矿 物成分、应力历史和应变速率等因素，在 试验中应模拟这些因素。换言之，这些因 素的作用综合的表现在强度参数上。 φ’ 非饱和土的力学性状受净法向应力变 化的影响不同于受基质吸力变化的影响 (Jennings和Burland,1962)。摩擦角φ’说明 抗剪强度随净法向应力的增加而增加的情 况，而角φb说明抗剪强度随基质吸力的增 净法向应力 加而增加的情况。 ( ua )
非饱和土的渗透系数lg
水
2003 年 12 月
利
学
报
第 12 期
SHUILI
XUEBAO
用了图 2(a)中的分维，非饱和 Toyoura 砂渗透系数的计算结果式由式（14）算出的。图 2(c)中的对比结 果表明，由式(14)得到的计算结果与试验结果一致。图 2 中的结果表明，由非饱和土孔隙分布的分形模型 得到的水分特征曲线与渗透系数的表达式是正确的。
k (S e ) =
q = β ∫ ∫ re2 (r1 , r2 , ρ ) Ae (r1 , r2 , ρ )dr1 dr2 dh / dx 0 0
ρ ρ
(10)
非饱和土的相对饱和度 kr(=k(Se)/ks,ks 是饱和土的渗透系数)可以写为
ρρ
RR
kr = ∫∫ r (r1 , r2 , ρ ) Ae (r1 , r2 , ρ )dr1dr2 / ∫∫ re2 (r1 , r2 , ρ ) Ae (r1 , r2 , ρ )dr1dr2
将式(6～7)、式(12、13)代入式(11)，得到用有效饱和度表示的非饱和土的渗透系数的表达式
1
(13)
k r = S eλ ; λ =
3D − 11 D −3
(14)
73
水
2003 年 12 月
利
学
报
第 12 期
SHUILI
XUEBAO
将式(7)代入式(14)，得到用吸力表示的非饱和土的渗透系数的表达式为
水
2003 年 12 月
利
Vp=Ar
3-D
学
报
第 12 期
SHUILI
XUEBAO
(2)
式中：A=4πCD/3(3-D)。 土体的孔隙体积与孔径间相互关系可以用水银压入法测出来，如果孔隙体积与孔径在双对数坐标上回 归线的斜率是κ，那么土体孔隙分布的斜率为 D=3-κ (3)
非饱和黄土干湿循环土水特征曲线试验及渗透系数预测
非饱和黄土干湿循环土水特征曲线试验及渗透系数预测刘朋飞;殷跃平;李滨;孙一博【摘要】利用5Bar体积压力板仪对甘肃东乡原状马兰黄土基质吸力和体积含水量进行了于湿循环测试,同时分别采用Gardner、Fredlund和Xing以及Van Genuchten土水特征曲线方程对试验数据进行拟合,得出其土水特征曲线方程,分析不同模型对试验土样的适宜性;根据土水特征曲线方程,采用Gardner和Van Genuchten模型对其非饱和渗透系数进行预测,分析不同模型、吸湿脱湿两个过程的差异性,建议对不同工况采取不同的渗透模型.【期刊名称】《中国地质灾害与防治学报》【年(卷),期】2015(026)004【总页数】5页(P125-129)【关键词】非饱和;黄土;土水特征曲线;渗透系数【作者】刘朋飞;殷跃平;李滨;孙一博【作者单位】中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆400023;中国地质环境监测院,北京 100081;中国地质科学院地质力学所,北京 100081;重庆地勘局南江水文地质工程地质队,重庆401121【正文语种】中文【中图分类】TV40 引言非饱和土分布相当广泛，而工程中几乎都会涉及到，黄土高原处于干旱半干旱气候区，地层结构为上覆黄土，下伏上新统红粘土和中生界砂、页岩［1］。
而下伏红粘土地层为隔水层，使之基本上不存在自下而上的顶托补给，黄土地下水埋藏较深，因此地表黄土常处于非饱和状态，黄土成为一种典型的非饱和土。
土水特征曲线(英文简称SWCC)是研究非饱和土的纽带，与土的强度、渗透系数、变形等均相关［2］，由于SWCC存在干湿循环，在循环过程中存在滞后性，加强干湿循环研究，探讨其变化规律［3］，为工程建设中采取合理的方法提供依据。
本文以SWCC干湿循环试验为依托，讨论非饱和黄土干湿循环土水特征曲线方程的适用性及对非饱和黄土进行渗透系数预测。
1 土水特征曲线试验在甘肃东乡县城县城边坡挖探井，深度约6 m，取原装样六块，长宽高约40cm×50 cm×40 cm，试样为甘肃东乡县城取原状样，是中更新世末以后形成的黄土，其土质较疏松，有大孔隙，承载力较低，具有中等的湿陷性。
非饱和冻土渗透系数测定装置及实验研究
（ ２ ） 用于渗透 的流体在低温恒温的环境下不结冰。 本实验拟测定恒低 温环境下冻土或非冻土 的渗 透系
土主要分布在青藏高原 、 大、 小兴安岭等地 区， 而大部分地 数 ， 土样类型为松散沉积物 ， 借鉴常规 的“ 变水头法” 的测量 区多为季节性冻土 ， 都具有冬季冻结 ， 夏季融冻特点。在冻 原理 ， 进行了冻土渗透系数测定装置的设计 ， 其主要具有以
２ ０ １ ６ 年 第六期 基础 地质
榴
非饱和冻土渗透系数测定装置及实验研究
王秋雯 张国彪 长春 １ ３ ０ ０ ２ １ 吉林大学建设工程学院
摘要 ： 我国具有广大的季节冻土和多年 冻土区 ， 冻土渗透系数的测定是研究冻土 区水文地质与工程地质的关键。冻 土渗透系数的测定与常规测定方法不同 ， 需要满足在渗透系数测定的条件下不融化的基本条件 。基于此 ， 本文设计了冻 土渗透系数测定的实验装置 ， 主要有三部分组成 ， 分别 为低温恒温装置 、 渗透仪装置 、 渗流装置 ； 之后 ， 制作了不 同含水率
器郝 鸳
基础地质 ２ ０ １ ６ 年 第 六期
功能 ， 能保证测量数据结果 的可靠性和渗透实验的方便性。 水 饱 和 冻 土 样 主要 通 过 渗 流管 路 装 置 实 现 的 ， 待 冻 土 样 形 低 温恒 温 装 置 ： 低 温恒 温 环 境 是 实验 的关 键 控 制 因 素 成后 ， 用橡皮管夹夹住渗透仪下部右侧橡皮管 ， 通过手动泵 之 一 。其 主 要 由低 温 恒温 槽 组 成 ， 低 温 恒 温槽 内有 低 温 恒 向渗透仪 内注入温度为一５ ℃的渗透流体 ， 以防止冻土样融 温酒精循环 ， 将渗透仪置入其 中， 并在槽内放有较长的一段 化 ， 待渗透仪上部 出口端有渗透液体流出为止 ， 即可进行下 渗流胶管 ， 从 而保证渗透仪中的土样和渗透流体处于恒温 阶段 。第二阶段为渗透系数测定 阶段 ， 待冻土样饱和后 ，
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表 1 为根据上面的步骤研究某非饱和土，得到的基质吸力与所对 应的含水量的数据。
19.45
根据表 1 可绘制土-水特征关系曲线， 并可求得体积含水量的最 大值和最1 干-湿循环过程中吸力-含水量关系
4 非饱和土渗透系数推求
在非饱和土壤中，因土壤孔隙中部分充气，导水孔隙相应减少，因 而导水率也相应减少。 由于在吸力作用下，土壤水首先从大孔隙中排 出，随着吸力的增加，水流仅能在小孔隙中流动。 所以，土壤从饱和到 非饱和，其渗透性将急剧降低。
19.65
9.47×10-10
332.7
15.94
1.63×10-11
19.10
6.77×10-10
380.1
15.78
9.04×10-12
18.63
4.81×10-10
415.7
15.66
4.30×10-12
18.25
3.36×10-10
510.4
15.37
1.56×10-12
17.92
2.31×10-10
17.42
1.57×10-10
23.25
4.97×10-9
155.0
17.05
1.05×10-10
22.08
2.83×10-9
178.7
16.78
6.81×10-11
21.12
1.89×10-9
202.4
16.58
4.31×10-11
20.32
1.33×10-9
285.3
16.12
2.68×10-11
图 2 计算参数示意图
基质吸力 (kPa) 0 12.8 24.7 36.5 48.4 60.2 72.1 83.9 95.8 107.6
表 2 不同吸力对应的含水量和渗透系数
渗透系数 基质吸力
渗透系数
含 水 量 (%)
含 水 量 (%)
(m/s)
(kPa)
(m/s)
24.66
2.19×10-8
131.3
科技信息
○科教前沿○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
2012 年 第 35 期
非饱和土的渗透性函数试验研究
李晓云 赵宝平 （广州市水务科学研究所 广东 广州 510220）
【摘 要】非饱和土[1]渗透系数同时受到土的孔隙比和饱和度变化的强烈影响，不能假定为常数，它是体积含水量的函数，也遵从达西定律 规律。 本文通过体积压力板仪绘制非饱和土土-水特征曲线[2]，得到体积含水量的最大值和最小值，然后根据 Marshall 和 Kunze.的修正公式推求 非饱和土的渗透系数。
2 非饱和土的渗透系数
饱和土中水的流动常用达西定律(Darcyl856)来表达：vm =-kw （坠hw / 坠y），饱和土渗透系数 kw 是孔隙比的函数(Kozeny1927)[3]，一般假定饱和 土 的 渗 透 系 数 为 常 数 。Richards(1931) 将 饱 和 土 达 西 定 律 延 伸 至 非 饱 和 水流中，实践证明达西定律也适合于非饱和土中水的流动。 但是非饱 和土渗透系数不能假定为常数，同时受到土的孔隙比和饱和度变化的 强烈影响，是体积含水量的函数。
表 1 土-水特征曲线参数
基 质 吸 力 （kPa)
质量含水率（%）
体积含水率（%）
0
12.38
25.68
5
11.81
24.42
10
11.23
23.21
25
10.90
22.62
50
10.26
21.33
100
9.33
19.46
200
8.28
17.52
100
8.57
18.42
50
9.09
19.13
25
9.24
许多学者提出了预测非饱和土渗透性的函数，这些函数利用了饱 和土渗透系数和土水特征曲线。 非饱和土渗透系数 k 不是一个常数， 是基质吸力的函数， 可根据饱和土渗透系 数 ks 表 示 ， 相 对 渗 透 系 数 为 ：kr（θ ）=k （θ ）/ks。
下面根据 Marshall 和 Kunze. 的修正公式预测非饱和土的渗透系 数。 由于土水特征曲线中体积含水量的最大值和最小值分别为 0.2568 和 0.1752，首 先 将 其 分 成 20 个 等 矩 节 点 ，间 段 数 m＝19，如 图 2，从 曲 线上求出各点对应的基质吸力值，见表 2，然后代入 1 式：
【关键词】非饱和土渗透系数；体积压力板仪；基质吸力；含水量；土-水特征曲线
1 土-水特征曲线的研究意义
土-水特征曲线 SWCC（Soil-water Characteristic Curve），是表示非 饱和土的基质吸力与重量含水量、体积含水量、饱和度或有效饱和度 之间的关系曲线。 水分特征曲线在非饱和土力学的研究中扮演着重要 角色，根据水分特征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系 数，在研究非饱和土力学中扮演着极其重要的作用。
试 验 时 ， 首 先 量 测 土 一 水 特 征 曲 线 的 干 燥 段 ， 以 5kPa、10kPa、 25kPa、50kPa、100kPa、200kPa 逐 级 施 加 气 压 ，测 量 每 级 压 力 稳 定 后 对 应的滴定管的液面读数。稳定标准建议以 4 小时内无明显排水或排水 量与时间关系曲线趋于平缓为准。 完成干燥过程后，试验继续沿浸湿 过程进行。 用减小仪器中气压的方法减小基质吸力，递减段气压分别 为 100kPa、50kPa、25kPa， 并测量 每 级 压 力 稳 定 后 所 对 应 的 滴 定 管 的 液面读数。
3 体积压力板仪测试技术
体积压力板仪除包括压力盒及供压装置外， 还有一些滞后附件， 主要是为试样的进出水流提供更精确的体积量测，它由加热块、空气 收集器、平衡管及量管所组成。 在使用体积压力板仪时，可以用同一土 样进行干燥和浸湿两个过程。 在干燥过程中，基质吸力增加，孔隙水由 试样排入平衡管。 反之，在浸湿过程中，基质吸力减小，平衡管中的水 被试样吸收，又从平衡管流入试样中。
700.0
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2012 年 第 35 期
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ