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
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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。
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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
14.80
3.19×10-13
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2012 年 第 35 期
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ