非饱和土的渗透性函数试验

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
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。