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文章编号:1005-8656(2001)02-0028-04两种土壤水分测定资料的对比分析侯 琼,魏学占(内蒙古气象科研所,内蒙古呼和浩特 010051)提 要 针对中子仪测湿精度问题,利用2年的中子仪测湿资料与相同时期土钻法测湿资料进行比较,统计了两种资料的相对偏差、相关系数和离散系数等特征值,分析了各统计特征值的变化特点和时空分布规律,并探讨了产生差异的原因,其结论可为中子仪测湿精度的提高提供参考和思路。
关键词:中子仪;土壤水分;测湿;偏差中图分类号:S152.7 文献标识码:B 土壤含水量是表征土壤水分盈亏的主要指标,也是农田水分平衡和灌溉管理研究中的主要参数,被列为农业气象观测的重要内容。
以往测定方法主要采用取土烘干法,也称土钻法,该方法因耗费时间、人力,破坏土壤结构,深层观测困难等缺点,将逐步被中子仪、TDR等新型测湿技术所取代。
90年代初我国开始普及中子仪测湿法。
气象部门从1996年起在全国部分气象台站推广使用中子仪测定土壤湿度方法,拟代替现用的土钻法。
目前,中子仪测湿法以其数据采集及时准确(相对误差小)、不扰动被测土壤、测定深度不限、田间操作简单、携带方便等优点正被逐步推广。
中子仪测湿原理是由中子源发出的快中子在土壤中主要被水分子中的氢原子核慢化后形成慢中子,通过慢中子探测器测到的计数率与土壤水分含量有较好的线性关系,从而来测定土壤湿度[1]。
但这种线性关系的好坏,因土壤质地、含水量多寡、地表植被状况等因素不同而存在一定差异。
因此,比较不同环境条件下两种测定结果间差异的大小和变化规律,分析产生差异的原因,是提高两种观测资料精度所必须了解和掌握的。
本文根据内蒙古气候土壤特点,利用4个站点1996年7月～1998年7月2年的观测资料,对两种方法的观测结果进行了对比分析,得出一些初步结论,供参考。
1 观测方法利用北京核安核子仪器有限公司生产的CNC503DR型中子水分仪和土钻法同时测定4个不同土壤植被地区的土壤水分含量。
各类土的静探双桥曲线特征
(1)杂填土：曲线变化无规律，往往出现突变现象，由于其位于表层，较好判定。
(2)粘土：qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线略有突峰，在曲线右侧且距离较大，Rf平均值一般大于2.5～3.0
(3)粉质粘土：qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线局部略有突峰，与qc 曲线距离较近，大部位于qc曲线右侧，局部交叉越过左侧，Rf平均值在1.0～2.5之间
(4)粉土：qc值较大，曲线呈大钝锯齿状，齿峰较缓，fs曲线一般位于qc曲线右侧，局部间隔较大，但偶尔也和qc曲线左右穿插。
Rf平均值一般在0.9～2.0之间
(5)粉细砂：qc值较大，曲线大部呈尖锐锯齿状，fs曲线一般和qc曲线间隔较小，曲线尖峰处部分位于qc曲线以左；细砂中qc曲线和fs曲线的尖齿更为剧烈，局部呈不规则的、残破的大锯齿状，fs曲线大部分位于qc曲线左边。
Rf平均值一般在0.8～1.3之间。
两种方法对土壤水分特征曲线的拟合及比较作者：梁晨璟，李春光，赵文娟来源：《湖北农业科学》 2014年第1期梁晨璟１，李春光２，赵文娟１（１．宁夏大学土木与水利工程学院，银川７５００２１；２．北方民族大学数值计算与工程应用研究所，银川７５００２１）摘要：土壤水分特征曲线是土壤水吸力与含水率之间的关系曲线。
此次试验利用压力膜仪测定银川北部盐渍土的土壤水吸力和含水率。
对土壤水分特征曲线的Ｖａｎ－Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ模型采用Ｍａｔｌａｂ软件和ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件进行拟合。
经过比较和分析后发现，用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件与Ｍａｔｌａｂ软件拟合土壤水分特征曲线精度近似相同，但是ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件对于不懂任何编程语言的人来说操作更为简便。
关键词：土壤水分特征曲线；Ｖａｎ-Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ模型；拟合方法；比较中图分类号：Ｓ１５２．７＋１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０14）01－0056-03ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｗｏＭｅｔｈｏｄｓＦｉｔｔｉｎｇＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣｕｒｖｅＬIANG Ｃｈｅｎ-ｊｉｎｇ１，ＬI Ｃｈｕｎ-ｇｕａｎｇ２，ＺHAO Ｗｅｎ-ｊｕａｎ１（１．ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，ＮｉｎｇｘｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＢｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ describes ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｗａｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｎｓｏｉｌ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓａｉｍｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｍｂｒａｎｅａｎａｌｙｚｅｒｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎａｒｅａｏｆＹｉｎＣｈｕａｎｓａｌｉｎｅｓｏｉｌ．Ｖａｎ－Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎｍｏｄｅｌｉｓ used ｔｏｆｉｔｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｕｓｅｂｙＭａｔｌａｂａｎｄＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ．Ｂｙｃｏｍｐａｒative ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ waｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｉｔｈａd ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｔｈｅｓａｍｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｆｉｔｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌａｎｄＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｂｕｔｉｔｉｓｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｆｏｒｐｅｏｐｌｅｎｏｔｋｎｏｗing ａｎｙｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅｂｙｕｓｉｎｇＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ；Ｖａｎ-Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎｍｏｄｅｌ；ｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ土壤水分特征曲线是土壤水的基质势或土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特征的曲线。
两种膨润土的土-水特征曲线用滤纸法和压力板法对Kunigel-V1和高庙子两种膨润土进行试验研究，量测不同孔隙比情况下的土-水特征曲线，研究土-水特征曲线与孔隙比之间的关系以及两种膨润土的土-水特性。
试验结果表明：用吸力与含水率的关系表示土-水特征曲线时，在吸力较大的情况下，孔隙比对土-水特征曲线的影响不大；用吸力与饱和度的关系表示土-水特征曲线时，土-水特征曲线随着孔隙比的减小向右上方移动，即在吸力一定的情况下，饱和度随着孔隙比的减小而增加，并且此变化接近于线性变化。
另外，孔隙比相同时，Kunigel-V1和高庙子膨润土的土-水特征曲线比较接近，即两种膨润土的持水特性比较相近关键词: Kunigel-V1膨润土, 高庙子膨润土, 土-水特征曲线, 滤纸法, 高放废物Abstract:The filter paper method and the pressure plate method are used for measuring the soil-water characteristicof Kunigel-V1 and Gaomiaozi (GMZ) bentonites. Thesoil-water characteristic curves (SWCC) obtained from the tests at different void ratios are pared. Relation between SWCC and void ratio and the effects of void ratio on the soil-water characteristic of bentoniteare also analyzed. The results show that when the SWCC is expressed by the relation between suction and water content, the effect of void ratio on the SWCC israther small at the range of higher suction; when the SWCC is expressed by the relation between suction and the saturation degree, the SWCC moves up and rightwith the decreasing of void ratio. That’s to say, the saturation degree increases with the decreasing of void ratio at a constant suction; and the change is nearly linear. On the other hand, when the void ratios are the same, the SWCCs of Kunigel-V1 bentonite and GMZ bentonite are almost the same. In other words, the soil-water characteristics of the two bentonites are quite similar.Key words: Kunigel-V1 bentonite, Gaomiaozi bentonite, soil-water characteristic curve(SWCC), filter paper method, high-level radioactive waste(HLW)。
土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析新疆农业大学2011,34(5):437~441 JournalofXinjiangAgriculturalUniversity文章编号:1007—8614(2011)05—0437—05土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析刘洪波.,张江辉,虎胆?吐马尔白,白云岗(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052;2.新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049)摘要:采用负压汁对砂壤土试样进行了土壤水吸力和对应含水量的测量,并分别运用RETC软件和Matlab软件对不同水分处理土壤水分特征曲线VG模型进行了拟合计算,然后将拟合值与实测数据进行对比分析.结果表明.Matlab和RETC软件均可用于土壤水分特征曲线VG模型的参数求解,Matlab 软件比RETC软件拟合的误差小,拟合效果明显优于RETC软件,RETC软件对极端干旱区砂石占绝对比重的砂壤土拟合效果不佳.关键词:RETC;Matlab;Van—Genuchten模型;土壤水分特征曲线中图分类号:$274.1文献标识码:A ContrastAnalysisonSoilWaterCharacteristicCurveofVGModelParametersLIUHong—bo,ZHANGJiang—hui,Hudan.Tumaerbai,BAIYun—gang.(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity, Uru—mqi830052,China;2.XinjiangResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Uru mqi830049,China)Abstract:Water—absorbingpowerandcorrespondingwatercontentofsandyloamsamplesweremeasured withnegativepresureandVGmode1ofsoi1watercharacteristiccurvewithdifferentwaterwe reaccordably calculatedwithRETCsoftwareandMatlabsoftwarerespectively,thenthecontrastanalysis wasconductedonfittingvalueandmeasureddata.TheresultshowedthatbothMatlabandRETCsoftwaresca nbeusedtOsolvetheparametersofVGmodelofsoi1watercharacteristiccurve,Matlabhaslessfittinge rrorsthanRETCsoftware,itsfittingeffectswerebetterthanthatofRETCsoftware.RETCsoftwareperf ormedits poorfittingeffectonabsoluteproportionofsandyloamintheextremelyaridregion. Keywords:RETC;Matlab;V an—Genuchtenmodel;soilwatercharacteristiccurve士壤水分特征曲线表示土壤水在非饱和状态下能态与数量问的关系,它是分析土壤水运动的最基本的资料之一,同时也是获取其他土壤水分常数和土壤水动力参数的基础.用负压式张力计法测定土壤水分特征曲线虽然范围有一定的限度,但是它结构简单,使用方便,而且能直接在田间测量,并且能用来指示灌溉,所以应用比较广泛【卜.目前,尚不能根据土壤的基本性质从理论上分析得出土壤水的基质势与含水率的关系,因此主要采用实测结果拟收稿日期:基金项目:通讯作者:合经验模型的方法测定水分特征曲线,常用的经验模有Broods—Corey模型,Gardner模型,V anGenu—chten模型(简称VG模型)和Gardner—Russo模型.目前,对Broods—Corey模型和Gardner—Russo模型国内仅做了少量研究l4-7],而国内外使用最为普遍的描述土壤水分特征曲线的是VG模型_1引,通过Matlab和RETC软件推导出实验土壤的土壤水分曲线,并认为RETC软件较Matlab软件拟合的误差小,拟合效果优于Matlab软件.李春友等口1532010—05—21国家科技支撑计划项目(2011BAD29B05);新疆维吾尔自治区科技攻关项目(200931105);水利部公益性行业科研专项(201001066)张江辉,E—mail:**************438新疆农业大学通过优化方法,阻尼最小二乘法以及遗传算法等不同方法推求了VG方程的参数,并且大部分的研究土壤质地为粘土,砂土或壤土等,而对于极端干旱区的砂壤土现有的研究甚少,本研究尝试对该地区使用RETC和Matlab软件提供的有关函数完成VG模型中4个参数的求解.1材料与方法1.1试验条件试验地点位于新疆吐鲁番地区鄯善县新疆葡萄瓜果开发研究中心试验基地(北纬42.91.,东经9O.30.);海拔419m.年降雨量25.3mm,年蒸发量2751mm,≥10℃积温为4522.6～5548.9℃,全年日照时数2900～3100h,平均日较差为14.3～15.9.C,最大可达17.0～26.6℃,无霜期192～224d.土壤质地主要为砾石沙壤土.葡萄品种为无核白,1981年定植,树龄28a,大沟定植,东西走向,沟长54m,沟宽1.0～1.2rn,沟深0.5m左右;株距约1.2～1.5m,行距3.5In;栽培方式为小棚架栽培,棚架前端高1.5m,后端高0.8ITI.1.2试验设计试验采用地面滴灌灌溉方式,设高水X(14775ITI./hm),中水X2(7950m./hm)和低水X.(5850m./hm)3个不同的水分处理,每个处理设2个重复,每个试验处理小区面积0.028hm.1.3试验内容与方法1.3.1土壤水势土壤水势利用DLS一1I负压计测定20,3O,50cm土层负压.1.3.2土壤含水率土壤含水率采用TRIM—IPH中子仪测定,在2010年7月2O日至7月26日8:O0观测不同处理0～2O,20～4O,40～60,60～80,8O～100cm深度上的田间土壤含水率.2结果与分析2.1VG模型VG模型由美国学者V anGenuchten于1980年提出,其表达式为:+式中:为体积含水率(cm./cm.);0,为残留含水率(cm./cm.);0为饱和含水率(cm./cm.);h为负压(cmH.O);a,,为经验拟合参数(或曲线性状参数);m一1—1/n.2.2实验数据对试验地随机定点,用环刀对3个不同取样点的0～20cm和20~40cm的土壤进行取样,进行容重的测定,结果表明0～20cm的土壤容重是1.40g/cm.,而20～40cm的土壤容重是1.15g/cm.(表1).其土壤水吸力与土壤含水量实测值具体结果见表2.2.3RETC和Matlab软件拟合土壤水分特征曲线RETC软件由USSL(美国盐改中心)开发,可用来分析非饱和土壤水分和水力传导特性.它可以很方便的实现土壤转换函数功能,即根据土壤的颗粒级配中砂粒,粉粒,粘粒的百分含量以及土壤容重等土壤物理性质数据,可直接输出V an—Genuchten 模型中的4个参数.由于饱和含水率0已由实验得到,故为已知值.将表1中土壤颗粒级配参数输入到RETC软件中,拟合得到其余+3参数值在0～20cm土层深度时0,一0.0441,0/一0.0376和视一1.6592,在20~40cm土层深度时0,-----0.0472,口一0.0395及一1.5643,并将通过实验已知的0～20cm和20～40cm饱和含水率0===24.5和0一19.9分别代人VG模型公式(1)中,得RETC拟合公式,(2)式为O～20cm,(3)式为20~40cm:=:=0.0441+(2)_--0.0472q-㈦对VG模型中的参数求解只需调用Matlabl1I¨中非线性曲线拟合函数lsqcurvefit求解非线性最小二乘问题,给出参数值区间,并给出初始值,即.=Eo1.100.O04];初始迭代值,由于m一1—1/>0,所以要求>1表1试验土壤颗粒级配Table1Theparticlesizedistributionoftestsoil0～2O20～4015.0112.161.401.15第5期刘洪波,等:土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析439 z一Fo100.004];待定参数的下界.一F55111;待定参数的上界函数根据最小二乘原理进行自动迭代求解.然后利用实测数据就可确定VG模型中的0…0a和4个参数.通过编程得到拟合参数在0～20cm土层深度时0一O.2438,0,一O.0228,a—O.0251和,2—1.2583,在20~40cm土层深度时0一0.1993,0,一O.0118,口:==0.2219及一1.1751,并将通过实验已知的O～20cm和2O～40cm饱和含水率一24.5和0一19.9分别代人VG模型公式(1)中,得到Matlab拟合公式,(4)式为O～20cm,(5)式为2O～40cm:_0.0228+(4)O_O.0118+(5)将RETC软件和Matlab软件拟合的曲线与实测数据绘制在同一坐标系中(图1,图2).两种求参方法所得到的曲线存在明显差异(图1,图2),在O～2Ocm深度上,Matlab拟合值与实测值较接近,其重合程度要明显优于RETC拟合曲线,在2O～4Ocm深度上,Matlab在x和x水分处理上拟合优于RETC,但x.处理上RETC拟合值与实测值更为接近.对RETC和Matlab软件拟合的曲线进行残差分析(-h3).通过残差分析,可明显看出Matlab软件拟合效果优于RETC软件.O实测值*RETc拟合值"-~-Matlab拟合值一一皿旺I1抽磷_H一一噩I1*抽磷土壤水吸力(em)土壤水吸力(em)土壤水吸力(em)x.处理x处理x处理图1O～2ocm深度不同水分处理拟合土壤水分特征曲线比较Fig.1Comparisionofthefittingsoilwatercharacteristiccurvein0—20cmdepthwaterdifferentwatertreatments440新疆农业大学2011钲一一皿删抽磷0实测值*RETc拟合值-~-Matlab拟合值2蔓tt一一皿硎*缸磷土壤水吸力(cm)土壤水吸力(cm)x,处理x处理图220~40cm深度不同水分处理拟合土壤水分特征曲线比较土壤水吸力(cm)X处理Fig.2Comparisonofthefittingsoilwatercharacteristiccurvein2O一40cmdepthwithdifferentwatertreatments表3同软件拟合值残差分析Table3Analysisontheresidualerrorfittedwithdifferentsoftware第5期刘洪波,等:土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析4413小结运用RETC软件和Matlab软件对土壤水分特征曲线VG模型中4个参数进行了拟合,表明RETC和Matlab软件进行土壤水分特征曲线VG模型的参数求解是可行的.从两种求参方法看,RETC软件操作步骤简单,计算精度高,无需编程;Matlab软件数值运算功能强大,对用户的编程能力有一定的要求;从拟合结果看,Matlab软件拟合结果明显优于RETC软件,这与王薇_l..和范严伟_】的研究结果存在差异,主要原因是他们所试验土壤质地为黏壤土和粉沙壤土,在RETC软件中可以得到更精确的参数,从而得到与实测值误差更小的拟合值,而本研究试验土壤虽为砂壤土,但砾石占有一定比重,使拟合参数本身存在一定偏差,进而导致拟合曲线与实测值差异较大.参考文献:[1]李玉琪.负压计测定土壤水分的应用分析[J].中国农村水利水电,1999(3):18—19.[2]刘思春,王国栋,朱建楚,等.负压式土壤张力计测定法改进及应用[J].西北农业,2002,11(2):29—33.E3]王凤新,康跃虎.用负压计拟定滴灌马铃薯灌溉计划的方法研究I-J].干旱地区农业研究.2005,23(3):58—64. [4]韩祥伟,邵明安,王全九.简单人渗法在确定Brooks Corey水分特征曲线模型参数中的应用研究[J].土壤,2006,43(3):506—508.[5]邹朝望,薛绪掌,张仁铎.基于两组负水头入渗数据推求Brooks—Corey模型中的参数[J].农业工程,2006,22(8):1—6[6]马东豪,王全九.用Brooks—Corey模型确定两流区模型参数_J].土壤,2006,43(2):209—214.[7]邹朝望,薛绪掌,张仁铎.推求Gardner—Russo持水曲线模型参数的简单人渗法[J].水利,2006,37(9): 1114—112O.[8]魏义长,刘作新,康玲玲.辽西淋溶褐土土壤水动力学参数的推导及验证[J].水利,2004(3):81—86.[9]彭建平,邵爱军.基于Matlab方法确定VG模型参数[J].水文地质工程地质,2006(6):25—28.[1O]王薇,孟杰,虎胆?吐马尔白.RETC推求土壤水动力学参数的室内试验研究[J].河北农业大学,2008,31(1):99—102,106.[11]范严伟,邓燕,王波雷.土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比研究口].人民黄河,2008,30(15):49—5O.E12]王小华,贾克力,刘景辉,等.V anGenuchten模型在土壤水分特征曲线拟合分析中的应用[J].干旱地区农业研究,2009,27(2):179—183.E13]V anGenuchtenMTh.Aclosed—fromequationfor predictingthehydraulicconductivityofunsaturatedsoils[J].SoilSci.Soc.Amj.,1980,44(5):892—898.[14]李春友,任理,李保国.利用优化方法求算V anGenu—chten方程参数[J].水科学进展,2001,12(4):473—478. [15]马英杰,虎胆?吐马尔白,沈冰.利用阻尼最小二乘法求解V anGenuchten方程参数I-J].农业工程,2005,2l(8):179—180.。
粉土土水特征曲线影响因素试验及模型验证李幻;谭晔;梁文鹏;吴家琦;张蒙飞;黄志全【摘要】土水特征曲线(SWCC)的影响因素有很多,为了探究其主要影响因素,采用压力板仪测定了初始干密度为1.78 g/cm3的土样A和初始干密度为1.65 g/cm3、经固结试验后干密度为1.78 g/cm3的土样B它们的初始脱湿线,发现二者基本重合.这说明在其他条件相同的情况下,是干密度而非固结压力决定了SWCC形态.测定了土样B的主吸湿线和主脱湿线,并采用毛细滞回简化模型计算了土样的主脱湿线,计算所得主脱湿线和试验得到的主脱湿线基本重合,验证了该模型的有效性.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2018(049)014【总页数】5页(P110-114)【关键词】非饱和土;土水特征曲线;固结试验;毛细滞回简化模型【作者】李幻;谭晔;梁文鹏;吴家琦;张蒙飞;黄志全【作者单位】华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,河南郑州450011;新疆工程学院,新疆乌鲁木齐830091【正文语种】中文【中图分类】P642非饱和土是由气体、液体与固体组成的多相体系，大多数传统的岩土工程问题也完全或部分属于非饱和土力学问题的范畴[1]。
近年来许多学者对非饱和土的性质进行了大量的试验研究[2-3]。
土水特征曲线(soil-water characteristic curve，简称SWCC)是用来描述土的持水能力随吸力状态变化的规律曲线，是了解非饱和土持水特征与其他性能指标(如强度、非饱和渗透系数等)的重要途径[4-7]，在非饱和土力学中所起的作用可以与饱和土中的压缩曲线e-lgp相媲美[8]。
几种典型土壤水分特征曲线模型分析作者：唐凯来源：《农业与技术》2017年第03期摘要：从分析土壤水分特征曲线的影响因子入手，通过结合现有国内、外研究成果，总结了几种典型的土壤水分特征曲线的模型，并且对它们进行了简单的对比分析。
关键词：土壤水分特征；典型；模型中图分类号：S731 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170106001引言几十年来[1-6]，为了确定水分特征曲线人们不断投入精力发展相关的测定方法，从这些方法的类型来看主要为2类：直接测定法，如Brooks-Corey模型、vanGenuchten模型、Campbell 模型、Mualem模型等，其中Brook-Corey模型和vanGenuchten模型得到了广泛应用；间接推求法，主要是通过估算土壤物理特性实现的。
1 土壤水分特征曲线的影响因子1.1 质地土壤质地对土壤水分特征曲线的影响在目前来看是最大的。
土壤颗粒的粗细，决定了颗粒的表面积大小，颗粒越粗，它的表面积越大，形成的孔隙就会越大，这样的土壤对水的吸持能力就会明显减小。
1.2 结构对土壤水分特征曲线的影响也很大的是土壤的结构。
当土壤团聚比较好，同时数量较多的状态，曲线的表现为先平缓上升后急速上升。
对水分特征曲线的影响，在土壤结构上分析主要是因为孔隙的状况的不同。
1.3 容重水分特征曲线受容重的影响主要是因为容重增大时，土壤孔隙数量同时减少，从而导致饱和含水量降低，与此同时接近饱和含水量酸的斜率也会明显增大。
2 土壤水分特征曲线的模型类别利用土水势和相对含水量的幂函数关系建立经验模型，此类有Rawls模型、Campbell模型等；采用最小二乘法回归模拟，主要通过土壤体积含水量与土壤的颗粒分布的关系来实现；采用经验物理模型的方法来实现，代表的有 Brooks-Corey模型等；通过土壤结构的自相似特性，来确定土壤结构分形维数，通过分型特征推导出的模型，包含有一定物理含义，如Tyler-Wheatcraft模型等。
第34卷第8期2018年8月科技通报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol．34No．8Aug．2018基于两种粉质粘土的土水特征曲线试验对比分析林群仙，李少和（浙江工业职业技术学院建筑工程分院，浙江绍兴312000）摘要：基坑工程的非饱和土问题一直是设计和施工中比较难解决的问题，由于非饱和土理论尚不成熟，在实际工程中往往按照饱和土理论进行设计，这样不可避免出现很多工程问题。
而研究非饱和土的土－水特征曲线是非常重要一个环节，本文通过对浙江诸暨的一个典型基坑工程在降水后形成的两种非饱和粉质粘土取原状样和实验室制作成重塑样，从初始含水率、土的干密度、土的矿物含量和土的结构进行实验入手，分析其对水特征曲线的影响。
得出土的持水能力越强，土水特征曲线越平缓。
关键词：基坑；非饱和土；因素中图分类号：TU441+.2文献标识码：A 文章编号：1001－7119（2018）08－0181－04DOI ：10.13774/j．cnki．kjtb．2018.08.037Experimental Comparative Analysis of Soil Water CharacteristicCurve Based on Two Kinds of Silty ClayLin Qunxian ，Li Shaohe（Department of Construction Engineering ，Zhejiang IndustryPolytechnic College ，Shaoxing 312000，China ）Abstract ：The foundation pit engineering of unsaturated soil problems is always difficult to solve problems in design and construction ，the theory of unsaturated soil is not mature ，in practice often in accordance with the theory of saturated soil is designed ，which inevitably appear many engineering problems．The water characteristic curve of unsaturated soil is a very important link ，through a typical foundation pit engineering of Zhejiang Zhuji formation after rainfall in two kinds of unsaturated silty clay and undisturbed and remolded soil laboratory made ，from the initial water ratio ，dry degree ，soil structure the mineral content and density of soilexperiment ，analyzes its influence on the water characteristic curve．The stronger the water holding capacity ，the more gentle the soil water characteristic curve．Keywords ：foundation ditch ；Unsaturated soil ；Factor 收稿日期：2017－09－02基金项目：2016年省访问工程师项目（项目编号：FG2016118）；教育厅项目（项目编码：Y201737752）。
作者简介：林群仙（1974－），女，四川资阳，讲师/工程师，主要从事建筑工程及岩土工程专业方面教学与研究。
E-mail ：382691419@qq．com 。
土－水特征曲线（SWCC ）是指土中基质吸力与土的含水率之间关系曲线。
吸力有基质吸力和渗透吸力，反映的是在基质吸力作用下土体的持水能力，通过该曲线可以推测抗剪强度、体应变、渗透系数及确定地下水面以上的土水分布，对于不同的非饱和土，土－水特征曲线有所不同，影响土－水特征曲线的因素主要有矿物成分、孔隙大小、初始孔隙比、微观结构、土体收缩性、应力状态、土的应力历史和温度等。
众多学者在此进行了大量的研究，但绝大部分是研究特殊土类，比如黄土、膨胀土等，而由于土182科技通报第34卷具有区域性，对于浙江很多地区的土来说，在这个方面研究较少，特别是降水后的基坑形成的非饱和土体鲜有报道，而这部分土体往往是按照饱和土来设计，这样的结果和实际是不相符合的，因此有必要对该问题进行研究。
1试样与实验仪器试样取自浙江越美国际轻纺商贸城一期工程，工程开挖基坑深度为11.5m，设两层地下室，采用井点降水方法将地下水降至基坑底0.5m以下，处于非饱和状态的土有两层粉质粘土。
本文试验采用原装样和重塑样。
重塑样测量粉质粘土的天然含水率，经风干、击碎、过筛然后密封保存备制样所用。
仪器采用南京泰克奥科技有限公司生产的非饱和土三轴仪，型号为TKA-TTS－10标准试微机控制吸力：高达900kPa；标准试样尺寸：直径39.1mm*高度80mm；微机控制孔隙气压力：0 900kPa，压力室：耐2MPa周围压力。
一套吸力控制系统：孔隙气压力控制范围0 0.9MPa，精度1kPa，孔隙水压力控制范围0 1MPa，精度1kPa，分辨率均为1kPa。
试验原理：试样在孔隙气压和孔隙水压的共同作用下，利用轴平移技术分级控制试样基质吸力，使试样在每一级基质吸力（u a－u w）下水气平衡，试验结束后测量试样的质量（以便校核时用）。
根据试验得出试样在不同基质吸力下的排水量和总体变及相关数据绘制土水特征曲线。
2实验方法（1）陶土板的饱和打开压力室底座上的孔隙水压力的球阀，通过与孔隙水压力1进水孔相连的孔隙水压力控制器施加5kPa的压力进行排水，直至没有气泡排出为止，并关闭球阀。
（2）试样安装将装在承膜筒中的试样放在陶土板上，套好橡皮膜，用橡皮筋扎好下端，然后安放带有铜板的试样帽，用橡皮筋扎好上端，装上压力室，并注内腔水，排除连接在内腔的水管中气泡，最后注外腔水，调整好压力架开始试验。
3土－水特征曲线的影响因素分析在分析和探讨土的含水率、土的干密度、土的矿物颗粒和土的结构对特征曲线的影响时，需要制备实验要求的土样；对于探讨土样初始含水率对土－水特征曲线的影响，需要对同一种土不同初始含水率进行对比试验。
试验土样为越美国际轻纺商贸城粉质粘土1的扰动样，保持原有的干密度、孔隙比，配制的初始含水率分别为30%、24.6%和20%，试验结果见图1；对于分析干密度对土－水特征曲线的影响时，制备重塑试样分别取1.50，1.6，1.65 g/cm3，推算出体积含水量为分别为46%，42%和34%，试样制备完成在保湿缸中密闭放置48h以上，以便水分运移扩散均匀，实验结果见图2；分析土的矿物成分对土－水特征曲线的影响时采用原状土样，分析结果见图3；在分析土体结构的影响时，对同一种土进行了原状土与重塑土的土－水特征曲线比较试验。
在试样的制备上，原状样与重塑样有着相同的含水率、干密度，试验结果见图4。
3.1初始含水量的影响由图1可知：土的初始含水率不同，土水特征曲线有明显变化，在基质吸力较小时，初始含水率比较大的土样土水特征曲线比较明显，而含水率比较小的土样土水特征曲线变化不是很明显，图中在对初始含水率为30%的土样的土－水特征曲线在基质吸力较小时下降明显，质量含水率随基质吸力增大而急剧衰减，基质吸力在70kPa以后慢慢趋于平缓，初始含水率比较低的土样曲线不是很明显，但最终三条曲线趋于平行。
说明脱水过程中开始阶段质量含水率对基质吸力比较敏感，随着基质吸力增大，这种敏感程度逐渐消失。
这主要是较高的初始含水率土样中土的孔隙比较大，使得土的进气值降低，持水性减弱，能在较低的基质吸力作用下将水很快排出，当基质吸力达到一定程度时，土的自由水和弱结合水逐渐被吸出，而土体中的强结合水在基质吸力的作用下将越来越难游离出去，所以表现在土－水特征曲线上开始段曲线很陡，而后逐渐趋于平缓，即在整个基质吸力变化过程中，质量含水率而随着基质吸力的增大逐渐减小，最后趋于不变，这个不变的值就是残余含水率。
3.2土的干密度对土水特征曲线的影响如图2所示：土的干密度较小时，进气值比较小，随着干密度值增大，进气值逐渐增大，表现的规第8期林群仙．基于两种粉质粘土的土水特征曲线试验对比分析183图1初始含水量变化与基质吸力的关系Fig．1The relationship between the initialmoisture content and the substrate suction律是土的初始干密度越大进气值越大。
这主要是土的干密度较小时，土的孔隙体积较大，即孔隙比较大，随着试样干密度的增大，试样孔隙比相应减小，空气进入土体的难度增大。
土样的排水就变得越来越困难。
干密度大的试样在饱和度降低过程中脱水速率要低于干密度小的试样。
图2干密度变化与基质吸力的关系Fig．2The relationship between dry densityand matrix suction3.3土的矿物成分土－水特征曲线的影响由图3可知：粉质粘土1土样的基质吸力曲线比较平缓，随着基质吸力的增大，质量含水率减小，该土样的持水能力比较强；粉质粘土2土样随着基质吸力的变大，脱水速率很快，且残余含水量较土样1小很多。
分析原因主要有两方面：一方面是矿物成分和组成结构的差异。
粉质粘土1土样的塑性指数为16.5，黏粒含量为28%，土中黏粒较多，亲水性强，黏土矿物含量越多，水化学作用越强烈，结合水含量也越高，且细粒多，较密实，孔隙尺寸小，进气值高，持水性强，反映在土－水特征曲线上表现为曲线的斜率平缓，残余含水量大；粉质粘土2土样的塑性指数为12，黏粒含量为13.3%，在压缩过程中容易发生破坏，改变空隙结构，使得持水性减弱。
土颗粒大小悬殊、不均匀、分选差，这样使得其孔隙直径的大小相应增大，则进气值减小，脱水速率变大，残余含水量减小。
图3矿物成分变化与基质吸力的关系Fig．3The relationship between mineral composition and substrate suction3.4土体结构的影响由图4可以看出：两种土中，土的原状土样土水特征曲线都比较陡，而重塑样的土－水特征曲线比较平缓。
