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陕北非饱和红土土-水特征曲线试验研究

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正确预测基质吸力在不同外界条件下的变化规律意
２ ］ 义重大 ［ 。非饱和土吸力可用直接法或间接法量
测， 实验室内吸力量测较为常用的为滤纸法、 张力计 法和轴平移法；现场测试中常采用滤纸法、 张力计 法和热传导传感器法等。在以上所述的量测方法 中， 滤纸法是一种操作简便的量测土中吸力的方法。 采用滤纸法可以量测很大范围的吸力， 通常用于实 验室中的吸力量测。 在采用滤纸法量测非饱和土吸力的过程中， 滤 纸作为传感体能够同具有一定吸力的非饱和土体达 到水分流动意义上的平衡。试验中当滤纸与非饱和 土体直接接触时量测的滤纸的平衡含水率相当于非 饱和土的基质吸力。当滤纸不与非饱和土体直接接 触时量测的滤纸的平衡含水率相当于非饱和土的总 吸力。 滤纸的平衡含水率和非饱和土吸力之间的关系 可以通过率定曲线来确定。一般情况下同一种型号
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基于以上认识， 本文采用基于滤纸法的室内基 质吸力量测试验来探讨陕北非饱和重塑保德组红土 基质吸力随含水率， 干密度， 饱和度及体积含水率的 变化规律。
２ 试验方法
７ ］ 图２ Ｗｈ ａ ｔ ｍ ａ ｎＮ ｏ ． ４ ２型滤纸吸力率定曲线 ［
本次试验用土取自陕煤神木红柳林煤矿肯铁令 沟内的一个保德组红土边 坡 （ 图１ ） ， 土样呈红褐 ２ ８ ８ ， 色。该 保 德 组 红 土 的 塑 性 指 数 Ｉ Ｐ为 １ １ ０＜Ｉ １ ７ ，属于粉质黏土， 液性指数 Ｉ ２ ０ ， Ｐ＜ Ｌ为 ０
（ 中国矿业大学资源与地球科学学院 徐州 ２ ２ １ １ １ ６ ）
摘 要 为了探讨非饱和保德组红土基质吸力与干密度、 含水率、 饱和度和体积含水率之间的关系， 采用滤纸法在试验室测 试了 ３ ６ 组不同含水率和干密度状态的重塑非饱和保德组红土的含水率， 分别计算了相应的基质吸力， 得到了非饱和保德组红 土在不同干密度下的土 － 水特征曲线。对试验结果进行分析表明： 基质吸力与干密度、 饱和度及体积含水率的关系在不同的 含水率段具有不同的特点；在含水率较低时基质吸力值对干密度、 饱和度及体积含水率的变化很敏感， 而在含水率较高时基 质吸力值对干密度、 饱和度及体积含水率的变化不敏感；在相同的干密度下， 基质吸力与含水率、 饱和度及体积含水率呈非线 性关系， 随着含水率、 饱和度及体积含水率的增加， 基质吸力呈现出急剧减小的趋势。 关键词 保德组红土 非饱和土 基质吸力 含水率 干密度 体积含水率 中图分类号： Ｔ Ｖ １ ３ 文献标识码： Ａ
－ － － － 收稿日期：２ ０ １ ３ ０ ６ ２ ５ ；收到修改稿日期：２ ０ １ ３ １ ２ ２ ６ ． 基金项目： 国家自然科学基金项目（ ４ １ １ ７ ２ ２ ９ ０ ， ４ ０ ５ ７ ２ １ ６ ０ ） 资助． 第一作者简介： 陈伟， 男， 博士， 主要从事煤矿水文地质工程地质， 地质灾害防治等方面的研究． Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｃ ｈ ｅ ｎ ｗ ｅ ｉ ． ０ ９ ３ ０ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
含水率 天然密度 土粒比 液限 ＷＬ 塑限 ＷＰ 塑性指 液性指 － ３ 重Ｇ 数Ｉ ｗ ／ （ ％） ρ ／ ｇ · ｃ ｍ ／ （ ％） ／ （ ％） 数 Ｉ ｓ Ｐ Ｌ ２ １ ８ ４ １ ９ ７ ２ ７ ５ ３ ２ ０ ９ １ ９ ２ １ １ ２ ８ ８ ０ ２ ０
Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ａ ｌ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｕ ｒ ｖ ｅｏ ｆ
［ ７ ］ “ Ｗｈ ａ ｔ ｍ ａ ｎＮ ｏ ． ４ ２ ” ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ
Hale Waihona Puke 试样制 备 前 首 先 将 扰 动 土 样 碾 碎， 在烘箱中
（ ２ ） 陈 伟等：陕北非饱和红土土 － 水特征曲线试验研究 ２ ２
３ ４ ２
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＧ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 工程地质学报 ２ ０ １ ４
０＜Ｉ １ ／ ４ ， 处于硬塑状态 （ 表１ ） 。 Ｌ＜
１ 引 言
我国陕北地区煤炭资源丰富， 地处毛乌苏沙漠 与黄土高原接壤地带， 水资源贫乏， 属于典型的干 半干旱地区。其中保德组红土主要分布于榆神 旱－ 矿区， 位于萨拉乌苏组含水层与煤层上覆基岩之间， 为一区域性分布的关键隔水层， 该隔水层的强度及 采动隔水性对陕北煤矿区导水裂隙带高度的研究及 “ 保水采煤” 的实施具有重要意义。由于地处干旱 － 半干旱地区， 工程实践中遇到的保德组红土基本处 于非饱和状态， 因此， 按照非饱和土理论对保德组红 土进行研究更符合实际情况。 非饱和土的基质吸力对其强度、 渗透等特性具

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《土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究》读书报告

《土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究》读书报告

《土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究》读书报告冯冬冬2011.11.7 阅读文献：张雪东. 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.一．文献内容1. 文献在分析了SWCC应用的基本步骤、SWCC形状特点的基础上，结合现有SWCC模型的函数形式的特点，分析了拟合SWCC试验散点时可能出现的问题，而后在统计了21种土的SWCC拟合结果的基础上，首次提出了一种使用不完整SWCC(测量未到达残余状态)的试验点，拟合得到能够正确地反映土中孔隙结构特点和持水能力的函数的计算方法，使用这种方法，可以解决在试验条件有限，无法测得完整SWCC时，难以根据试验结果准确地确定一些非饱和上力学模型中的相关参数的取值问题。

2.以概率论为基础，利用SWCC和孔隙(水)分布函数之间的关系，提出了平均孔隙半径的概念，而后以此为基础得到了一个能够模拟变形对SWCC影响规律的计算模型;由于该模型考虑了土中的初始孔隙结构对SWCC随变形的变化规律的影响，所以它能够给出比较理想的计算结果;该模型可为建立分析非饱和土的水力、力学特性相互影响的计算模型奠定基础。

3.以概率论为基础，提出了一个能够考虑土中孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型，而后结合本篇文章提出的模拟SWCC随变形的变化规律的计算模型，以及Mualem相对渗透系数模型，建立了一个能够模拟变形对非饱和土渗透系数影响的计算模型，该模型不仅能够考虑孔隙大小的变化对渗透系数的影响，更能够考虑孔隙结构变化的影响，这使得预测结果能够更加接近于实际情况。

4. 以传统域模型的基本原理为出发点，提出了一个能够方便地模拟多次浸润(吸湿)、干燥(脱湿)过程，以及在含水量(吸力)变化历史未知的情况下模拟含水量随吸力变化规律的SWCC 滞后模型;而后以该模型为基础，得到了一个利用边界干燥曲线以及一条一阶浸润扫描线预测边界浸润曲线的计算方法，使用该方法，可以减少SWCC滞后模型计算时所需实测的数据，从而使现有的一些SWCC滞后模型能够方便地应用于实际工程中。

非饱和土的理论土_水特征曲线

非饱和土的理论土_水特征曲线


岩 土 工程 学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.27 No.6 June, 2005
非饱和土的理论土－水特征曲线
Theoretical soil—water characteristic curve for unsaturated soils
土体在外力作用下所表现出的压缩及相应的其它 变形，将改变土的孔隙结构，进而影响收缩膜形状和 土的持水能力，从而改变土－水特征曲线形状。 2.4 液体的性质
液体的表面张力取决于液体的性质，从而不仅弯 液面的形状及液面内外压力差依赖于液体，而且液体 和固体之间的接触角与液体性质密切相关。
2.5 孔隙气 表面张力和接触角不仅依赖于固体和液体的物理
于是
y′ = − x = (tan π − δ − arcsin( y )) 。(2)
y−b−r
2
R
同时注意到点 P 位于圆形颗粒的表面，于是
(x − R − a)2 + y2 = R2 。
(3)
对于点 P，联立几何条件（1）、（2）和（3），从
理论上可以确定弯液面的方程。注意到该联立方程组
是高度非线性的，无法直接得到其解析解。因此考虑
关键词：非饱和土；等效基质吸力；表面张力；接触角；数值迭代法
中图分类号：TU 431
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2005)06–0611–05
作者简介：栾茂田(1962– ), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事海洋土力学理论与实验技术、岩土力学基本理论与数值分
析、非线性动力学与岩土地震工程等方面的科研和教学工作。
一般认为非饱和土是固体颗粒、孔隙水和孔隙气 有关参数。关于土－水特征曲线，尽管已经提出了多
非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识研究

非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识研究

非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识研究随着城市化进程的加快，土地利用和建设活动频繁进行，土壤水分特征曲线的研究与应用已受到广泛关注。

非饱和土水特征曲线是描述土壤水分状态的重要工具，它包括入渗、渗透性、蒸发等诸多过程，对于地下水资源管理、土地利用规划以及水文模型等方面都具有重要的意义。

本文旨在研究非饱和土水特征曲线模型参数反演辨识方法，并探究其应用。

1、非饱和土水分特性与特征曲线土壤由颗粒、孔隙和土壤水三部分构成，其水分状态由干燥到饱和分别分为三部分，分别为毛细吸附水、重力排水水和流失水。

非饱和土指含有干燥状态和毛细吸附水的土壤。

非饱和土水分特性曲线（Water Retention Curve, WRC）是描述非饱和土体含水量与土壤水势之间关系的重要工具。

WRC曲线反映了非饱和土结构、类型、饱和度等因素的相互作用对水分含量及其对应水势的影响，也是研究非饱和土水力学性质的基础。

非饱和土水分特征曲线模型是通过实验或模拟建立非饱和土水分含量与水势关系的数学模型，常见的模型有van Genuchten模型、Brooks-Corey模型和Kosugi模型等。

其中van Genuchten模型是较为常用的一种模型，它可以描述土壤水分与土壤饱和度之间的关系，并被广泛应用于土壤水分运移方面的研究。

非饱和土水分特征曲线模型的参数反演是指通过对非饱和土的实测数据进行计算，反演得到最适合该土壤的模型参数。

非饱和土水分特征曲线模型参数反演可以采用多种方法，主要包括试错法、梯度法、最小二乘法、马尔可夫蒙特卡罗模拟等。

试错法是一种传统的方法，通过不断调整模型参数，使模型拟合效果不断提高；梯度法是一种基于函数变化率的优化方法，利用曲线斜率信息寻找最佳模型参数值；最小二乘法是利用误差平方和最小的原则进行拟合，可以求出最小二乘解；马尔可夫蒙特卡罗模拟是利用随机梯度法结合马尔可夫链的方法，能够在全局搜索中找到较好的参数。

这些方法各有优劣，选择适合自己的方法可以更好地实现非饱和土水分特征曲线模型的参数反演辨识。

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验黄志全;岳康兴;李幻;李磊【摘要】针对现实中土体含水量任意变化的情况,采用滤纸法测定非饱和膨胀土任意循环路径下对应的总吸力和基质吸力,得到了任意含水率变化下的总吸力曲线和土水特征曲线.将曲线进行拟合,利用毛细滞回内变量模型进行计算,通过与试验结果对比,验证了该模型对于膨胀土的适用性.结果表明:滤纸法测得的土水特征曲线与传统方法测得的曲线大致相同.含水量任意变化下的曲线不与完整脱、吸湿曲线重合,相同含水率下,脱、吸湿开始点之间含水率差值越小,脱湿后吸湿的曲线,基质吸力越高;吸湿后脱湿的曲线,基质吸力越低.毛细滞回内变量模型适用于非饱和膨胀土,计算结果与实际值能较好吻合.【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2015(013)003【总页数】5页(P482-486)【关键词】膨胀土;基质吸力;滤纸法;土水特征曲线【作者】黄志全;岳康兴;李幻;李磊【作者单位】华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011;华北水利水电大学资源与环境学院,郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TU411滑坡是自然界和工程中常见的地质灾害[1]。

大量工程实例证明，非饱和膨胀土强度的变化是导致滑坡产生的主要因素[2]，而土水特征曲线是非饱和膨胀土强度研究的基础和重点。

土水特征曲线(SWCC)是用于描述土体基质吸力与含水量之间函数关系的曲线[3]。

Vanapalli与Fredlund等[4-5]针对非饱和土强度及渗透系数与土水特征曲线的关系进行研究，发现土水特征曲线可以反映非饱和土的工程力学性质：通过土水特征曲线，可以获得土的渗透系数，抗剪强度等指标[7]。

建立土水特征曲线最重要的就是基质吸力的测量。

测量方法有：压力板法、滤纸法、轴平移技术法、张力计法、热敏传感器法、湿度计法等[8]。