科技信息○科教前沿○ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2012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。
【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。
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：v m =-kw （坠h w /
坠y ），饱和土渗透系数k [3]w 是孔隙比的函数(Kozeny1927)，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。
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。
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。
试验结束，卸除气压，称量湿土样和烘干后土样重，根据量管起始和结束读数，计算出最后一组试样的含水量，然后反算相应于其他吸力值的质量含水量，然后用公式推出体积含水量，最后绘制基质吸力与含水量关系曲线，即土一水特征曲线。
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。
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（%）
012.3825.68511.8124.421011.2323.212510.9022.625010.2621.331009.3319.462008.2817.521008.5718.42509.0919.1325
9.24
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小值分别为0.2568和0.1752。
图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。
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k s 表示，相对渗透系数为：k r （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：
图2
计算参数示意图
表2
不同吸力对应的含水量和渗透系数
基质吸力
含水量(%)
渗透系数
基质吸力
(kPa)(m/s)(kPa)含水量(%)
渗透系数
(m/s)024.662.19×10-8131.317.421.57×10-1012.823.254.97×10-9155.017.051.05×10-1024.722.082.83×10-9178.716.786.81×10-1136.521.121.89×10-9202.416.584.31×10-1148.420.321.33×10-9285.316.122.68×10-1160.219.659.47×10-10332.715.941.63×10-1172.119.106.77×10-10380.115.789.04×10-1283.918.634.81×10-10415.715.664.30×10-1295.818.253.36×10-10510.415.371.56×10-12107.6
17.92
2.31×10-10
700.0
14.80
3.19×10-13
（下转第98页）
93
科技信息○科教前沿○ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2012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。
【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。
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：v m =-kw （坠h w /
坠y ），饱和土渗透系数k [3]w 是孔隙比的函数(Kozeny1927)，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。
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。
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。
试验结束，卸除气压，称量湿土样和烘干后土样重，根据量管起始和结束读数，计算出最后一组试样的含水量，然后反算相应于其他吸力值的质量含水量，然后用公式推出体积含水量，最后绘制基质吸力与含水量关系曲线，即土一水特征曲线。
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。
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（%）
012.3825.68511.8124.421011.2323.212510.9022.625010.2621.331009.3319.462008.2817.521008.5718.42509.0919.1325
9.24
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小值分别为0.2568和0.1752。
图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。
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k s 表示，相对渗透系数为：k r （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：
图2
计算参数示意图
表2
不同吸力对应的含水量和渗透系数
基质吸力
含水量(%)
渗透系数
基质吸力
(kPa)(m/s)(kPa)含水量(%)
渗透系数
(m/s)024.662.19×10-8131.317.421.57×10-1012.823.254.97×10-9155.017.051.05×10-1024.722.082.83×10-9178.716.786.81×10-1136.521.121.89×10-9202.416.584.31×10-1148.420.321.33×10-9285.316.122.68×10-1160.219.659.47×10-10332.715.941.63×10-1172.119.106.77×10-10380.115.789.04×10-1283.918.634.81×10-10415.715.664.30×10-1295.818.253.36×10-10510.415.371.56×10-12107.6
17.92
2.31×10-10
700.0
14.80
3.19×10-13
（下转第98页）
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