土壤水分特征曲线测定实验

土壤水分特征曲线测定实验

实验原理

张力计插入土样后，张力计中的纯自由水经过陶土壁与土壤水建立了水力联

系。在非饱和土壤中，仪器中的自由水的势值总是高于土壤水的势值，因

此，仪器中的自由水就会透过陶土管进入土壤，但因陶土材料孔隙细小，孔

隙中形成的水膜不能使空气通过，而只能让水或溶质液通过（但如果压力过

高水膜破裂，空气就会透过，这时的压力称为透气值），因而在仪器内形成

一定的真空度，由仪器上的负压表读出。最后当仪器内外的势值趋于平衡

时，仪器中水的总水势Φwd与土壤中土水势Φws应该相等，即：

Φwd＝Φws

土水势的完整表述为：

Φ=Φm+Φp+Φs+Φg+ΦＴ

因为陶土管为多孔透水材料，并非半透膜，故溶质也能通过，最后达到内外

溶液浓度相等，内外溶质势Φｓ相等。仪器内外温度相等，温度势ΦT相

等。坐标0点选在陶土头中心，则陶土头中心的内外重力势Φｇ相等。这样

仪器中和土壤中的总势平衡可表述为：

Φmd＋Φpd＝Φms＋Φps

式中，Φps为土壤水的压力势，Φms为土壤水的基质势，Φpd为仪器内自

由水的压力势，Φmd为仪器内自由水的基质势。

在非饱和土壤中，土壤水所受的压力为大气压（基准状态），故Φps应为

零，又仪器中自由水无基质势存在，故Φmd亦为零，所以：

Φms＝Φpd＝ΔP D+z

式中，ΔP D为负压表显示的负压值（小于0），z为埋藏在土中的陶土管中

心与土面以上负压表之间的静水压力即水柱高，（向上为正，大于0）。即

可得到土壤水的基质势。按定义土壤水吸力为基质势的负值，因而即可测得

吸力值。

S=－Φms＝－ΔP D－z

如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔPD），则S=P－z

另外，在计算土样中水分的变化时，还应考虑集气管中水分的变化量。

实验内容与设计

1. 土样：粘土、砂壤土

2. 容重：1.3g/cm3 、1.4g/cm3

3. 方式：

脱湿：配置饱和土样，在室内自然蒸发，测定整个过程中土壤含水率与吸力

关系曲线。

单点：用16个土样，分别配置指定含水率，测定该含水率下的吸力值，连成特征曲线。

实验步骤与要求

1. 计算

（1）给定初始值如下表格，计算装满试样罐需要的土样质量（g）：项目干容重罐体积初始质量含水率

表达式γｃV θｇ

单位g/cm3cm3%

数值待定待定待定

（2）配置土样到预期体积含水量θV，计算所需水的质量：

2. 土样的装填

先在试样罐底部铺上一层普通滤纸，然后将称好的土样分次分层地装入罐中，一般分为6层装填，每次装入1/6总质量的土样，铺平后用直径比试样罐稍小的击锤夯实土样，夯实

的遍数以能达到要求的密度为准（每次将装入的土夯实到1/6土柱高度）。应该注意周边土壤的夯实(常不能夯实，故除了击锤夯实外，还用棍棒进行捣实。每层土样之间要进行

“打毛”，保证层间结合良好。填装完毕后，刮平土壤表面，盖上罐盖，称重，准确求得

实际罐中土样的质量Mg。

3. 安装张力计

在试样罐的中心先用小土钻钻一土孔，孔径略小于陶土头直径。然后称重，准确求得罐中

最后土样的质量Mt。然后将张力计插入，使陶土头与土样紧密结合。称重求得系统总的

质量M1。

4. 配置预期含水量

1）单点

将预先求得的水量，2/3倒入盛水容器中，将系统放入其中，再将水量的1/3从系统上部慢慢灌入试样罐，然后将罐口用胶布封闭，静置系统，让其慢慢吸水、渗水、均匀。

2）脱湿

将系统至于盛水容器中，容器的中的水面尽量接近土罐上沿（确保不能漫过土罐），让其

慢慢吸水、均匀，静置1天，土样基本可达到饱和。

5. 观测读数、称量与烧干法测量含水率

1）单点：一天后，系统达到稳定，观测负压表读数，并将读数单位转换为cm水柱高度。称量系统总重M2，计算出此时土样的含水率。再用烘干法与烧干法（可选）测定水分含

量进行校验

2）脱湿：将饱和后的系统拿出，擦干土罐表面，称重，计算出饱和含水率，然

后将罐盖打开，放在系统置放槽上，每天读一次数据。直到负压表的读数接近最大量程。

6. 清洗实验仪器

清洗实验过程中使用的仪器，并将土样罐中的土样取出，放于指定位置。

数据记录表（见附件）

土壤水分特征曲线绘制与分析

一、脱湿（砂壤土的数据选用2号罐，粘性土的数据选用8号罐）

从上图可以看出粘土的进气值比砂土要大，在含水率减小时，粘土吸力值增加很快。相比而言，砂土透水性比较高，因此吸收—耗散水分比较快，脱湿相对比较容易（外界需要提供的能量低），因此在含水率稍微降低的情况下粘土的吸力变化更为明显。

二、单点

单点的数据整体趋势与脱湿实验相同，但是数据点跳动比较大，每组的实验过程可能有微小差别，导致数据离散程度比较大（在下面单点与脱湿对比中可以看出）

三、砂壤土的单点与脱湿实验数据对比

砂土的透水性比较好，因此二者的数据相差不大，在含水率较低时二者出现

偏差，在相同低含水率条件下，脱湿实验测得的吸力值较小，我认为主要原

因是单点实验中土的含水率分布不均匀，导致局部含水率比整体平均含水率

小，因而吸力值偏大；相比而言脱湿实验蒸发缓慢，含水率分布较为均匀。

四、粘土的单点与脱湿实验数据对比

从上图可以看出，粘土的脱湿实验与单点实验数据对比比较大，主要原因还

是粘土的透水性差，排水不畅，直接导致进行单点实验时在整体低含水率情

况下吸力值偏大，有滞后现象。

土壤水分特征曲线数据拟合

一、砂壤土脱湿过程拟合

采用Excel自带的趋势线分析，设拟合公式为，对于2#结果是：

（S单位为cbar），其中。拟合效果较好。如果采用来拟合，结果为，其中，尽管拟合相关度更高，但是拟合式比较复杂，不建议使用后者。

对于1#罐，拟合结果为，，可以看出1#罐和2#罐拟

合公式相差不大（这两个土样均为砂土，容重相等）

对于3#罐，容重为 1.3，拟合结果为，。对比这三

个土样，可以看出容重只影响拟合关系式前面的系数，对于指数项基本无影响，

也就是对曲线基本形状无影响。

二、粘土脱湿过程拟合