非飽和土滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究

梁愛民，劉 瀟

非飽和土滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究

*梁愛民1，劉 瀟2

（1.井岡山大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西，吉安 343009；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧，大連 116085）

非飽和土的復(fù)雜性和多變性決定了其滲透特性明顯不同于飽和土，無(wú)法根據(jù)土壤的基本性質(zhì)從理論上分析得出，試驗(yàn)難度也較大。本研究采用的穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置，是根據(jù)非飽和土的特性設(shè)計(jì)出的非飽和土滲透系數(shù)直接測(cè)量的一種新方法，通過(guò)對(duì)粉土和砂質(zhì)壤土兩種非飽和土的滲透特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了非飽和土含水量與滲透系數(shù)的基本關(guān)系。同時(shí)，對(duì)其關(guān)系曲線進(jìn)行了van Genuchten-Mualem模型擬合，得出了很好的結(jié)果。

非飽和土；滲透系數(shù)；穩(wěn)態(tài)滲流；試驗(yàn)研究；擬合

0 引言

非飽和狀態(tài)下的土壤水與飽和狀態(tài)下的土壤水一樣，都遵循熱力學(xué)第二定律，水分都是從水勢(shì)高的點(diǎn)自發(fā)地向水勢(shì)低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。一般情況下，認(rèn)為適用于飽和水流動(dòng)的達(dá)西定律在很多情況下也適用于非飽和水的流動(dòng)。但是非飽和水流動(dòng)與飽和水流動(dòng)具有很大的區(qū)別，其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是其水相滲透系數(shù)的差異，當(dāng)土壤中部分孔隙為氣體所充滿時(shí)，其水相滲透系數(shù)比飽和狀態(tài)下的要小得多，而且也不再保持一個(gè)常數(shù)，是土壤水的基質(zhì)吸力（或含水量）的函數(shù)。由于基質(zhì)吸力的存在，不能用常規(guī)的測(cè)定飽和土滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法確定其非飽和土的滲透系數(shù)，使得非飽和土滲透系數(shù)的確定具有很大的難度，這就是研究非飽和土滲透特性及滲流特征難度較大的主要原因之一[1]。與此同時(shí)，確定非飽和土的滲透系數(shù)又是很重要的，因?yàn)樗粌H在分析降雨對(duì)土坡穩(wěn)定性影響時(shí)需要，而且在其他重要工程中，如地下水對(duì)垃圾填埋場(chǎng)和核廢料填埋場(chǎng)的影響、地下污水的遷移、防洪堤滲漏等工程中都需要準(zhǔn)確地確定出非飽和土的滲透系數(shù)。

長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于非飽和土的滲透系數(shù)都是通過(guò)間接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即由直接測(cè)出的土水特征曲線，再用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算間接求得[2~6]，這種確定非飽和土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其主要缺陷是物理意義不夠明確，且得到的非飽和土滲透系數(shù)的精度對(duì)所用經(jīng)驗(yàn)公式的依賴性很大，由不同經(jīng)驗(yàn)公式得到的相同條件下土體的滲透系數(shù)差別也很大，應(yīng)用起來(lái)有一定的難度。

筆者根據(jù)非飽和土的滲透特性，研制出了穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置，解決了穩(wěn)態(tài)方法測(cè)定非飽和土滲透系數(shù)的難點(diǎn)[7-8]。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，其試驗(yàn)結(jié)果與由間接方法計(jì)算出的試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。

1 非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

非飽和土的滲透系數(shù)測(cè)定所用試樣選用大連理工大學(xué)工程力學(xué)系環(huán)境與巖土工程研究室采用吸灌技術(shù)控制的草坪和種植大棚內(nèi)的土，根據(jù)對(duì)土樣基本物理性質(zhì)的檢測(cè)及國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，其分別屬于砂質(zhì)壤土和壤質(zhì)砂土，基本參數(shù)如表1所示。在試樣制備過(guò)程中控制試樣的干密度等于實(shí)際工程的干密度，分別選用1.65 g/cm3和1.25 g/cm3，試樣高度2 cm，直徑5 cm。試驗(yàn)前，采用真空飽和法對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)先飽和。

表1 試驗(yàn)用土的基本參數(shù)

1.2 穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置

穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置屬于高壓力水頭的常水頭試驗(yàn)裝置，其工作原理符合Darcy定律。非飽和土試樣內(nèi)的水壓保持恒定，通過(guò)改變?cè)嚇又械臍鈮簛?lái)調(diào)節(jié)吸力和控制飽和度。某級(jí)氣壓力作用下，滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，試樣中的氣壓也保持恒定，試樣中的氣泡含量一定，且氣泡與土粒間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水也無(wú)法通過(guò)氣泡流動(dòng)，只能像繞過(guò)土粒一樣繞過(guò)氣泡流動(dòng)。因此，孔隙壓力越大，試樣孔隙中的氣泡含量越大，相當(dāng)于試樣的孔隙比減小，土壤的滲透系數(shù)減小。

其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，如圖1所示：（1）試樣室，由上下底座、高進(jìn)氣值陶瓷板和環(huán)刀組成，主要用來(lái)盛放試樣；（2）空氣壓力源和水壓力源，空氣壓力源由實(shí)驗(yàn)室的空氣壓力系統(tǒng)提供，輸入的壓力可以調(diào)整到滿足試驗(yàn)要求。水壓力源通過(guò)一個(gè)專門設(shè)計(jì)的無(wú)氣水供水灌提供，如圖2所示，其特點(diǎn)是可以為試驗(yàn)提供接近無(wú)氣的水。其基本原理是通過(guò)對(duì)內(nèi)部的氣囊充氣壓迫水的方式出水，而不是通過(guò)直接對(duì)水上的空氣加壓出水，避免了在壓水過(guò)程中因?yàn)閴毫Φ淖饔迷斐傻牟糠謿怏w的溶解問(wèn)題，保持了試驗(yàn)用水的充分無(wú)氣。同時(shí)，可以通過(guò)表盤式壓力表的調(diào)節(jié)來(lái)保證通過(guò)試樣水的壓力恒定。（3）量測(cè)系統(tǒng)，主要包括壓力表、積水量筒、電子天平和溫度計(jì)，主要作用是調(diào)節(jié)作用在試樣內(nèi)的孔隙水和孔隙氣的壓力、記錄滲流達(dá)穩(wěn)定時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)試樣的滲透水量和對(duì)應(yīng)基質(zhì)吸力下試樣內(nèi)含水量在滲流穩(wěn)定前后的變化以及滲透水的溫度。

1.3 滲透試驗(yàn)方法

非飽和土滲透特性試驗(yàn)方法較飽和土復(fù)雜且困難的多。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在水流入滲過(guò)程中，為了在試樣內(nèi)保持一個(gè)恒定的吸力值，除了需要對(duì)試樣施加一個(gè)恒定的水頭外，還要對(duì)試樣施加一定的氣壓。（2）測(cè)量設(shè)備也較飽和土復(fù)雜。測(cè)量一定含水量下土的滲透系數(shù)，需要測(cè)量作用在試樣上任一時(shí)刻的水壓力和氣壓力。為了滿足上述測(cè)量要求，在試樣室的上下底座上各安裝了一塊高進(jìn)氣值陶瓷板，這樣既可有效地防止試樣內(nèi)孔隙氣體的溢出，又方便試樣內(nèi)孔隙水壓和氣壓的測(cè)量。（3）需要記錄的內(nèi)容也較多。除了要記錄作用在試樣上的穩(wěn)定水壓和氣壓外，還要記錄整個(gè)試驗(yàn)裝置在每級(jí)壓力作用下的質(zhì)量變化，以及滲流達(dá)穩(wěn)定時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)的滲透水量，進(jìn)、出水的溫度等。

試驗(yàn)基本原理是，試驗(yàn)過(guò)程中保持水壓力為常數(shù)，通過(guò)逐級(jí)增加作用在試樣上的氣壓力使得試樣在不同基質(zhì)吸力下發(fā)生穩(wěn)態(tài)滲流。當(dāng)試樣的出水量和進(jìn)水量相等且試驗(yàn)裝置總質(zhì)量不發(fā)生變化（即達(dá)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)）時(shí)，其施加于試樣上、下的水頭壓力差即為壓力水頭值，透過(guò)試樣流出的水量即為滲流量。

圖1 非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置示意

圖2 供水壓力灌示意圖

Fig.2 Schematic drawing of water supplying vessel

2 試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)擬合

2.1 van Genuchten-Mualem模型

目前，最常用的預(yù)測(cè)非飽和土滲透系數(shù)的解析函數(shù)是van Genuchten-Mualem（1992）（此后稱為VG-M模型），即

(1)

它是土壤物理領(lǐng)域最普遍使用的van Genuchten持水特征模型

2.2 土水特征曲線

土水特征曲線是土中水基質(zhì)吸力隨含水量變化的曲線，是土中水的能量與數(shù)量之間的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)取得的土水特征曲線，結(jié)合其它非飽和土特征參數(shù)，就可得到土的非飽和滲透系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置作為量測(cè)非飽和土特性參數(shù)的試驗(yàn)裝置，其既可以得到土水特征曲線，又可測(cè)得對(duì)應(yīng)基質(zhì)吸力或含水量下的滲透系數(shù)，表2給出了兩種土的土水特征曲線的測(cè)量結(jié)果及擬合結(jié)果，從圖中可以看出，用van Genuchten模型對(duì)曲線進(jìn)行擬合可以得到比較滿意的結(jié)果。圖3給出了其擬合的結(jié)果。

圖3 土水特征曲線測(cè)量與擬合結(jié)果比較

表2 兩種土壤擬合常數(shù)

2.3 非飽和土滲透系數(shù)

2.3.1非飽和土滲透系數(shù)的影響因素

非飽和土的滲透系數(shù)同時(shí)受到土的孔隙比和飽和度（或含水量）變化的強(qiáng)烈影響。一般情況下，非飽和土的孔隙比變化可能很小，它對(duì)滲透系數(shù)的影響可能是次要的。但是飽和度變化的影響則是十分重大的。因而常常將滲透系數(shù)表達(dá)為飽和度或體積含水量的單一函數(shù)。

飽和度或體積含水量與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系存在明顯的滯后作用。因此，滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系也存在明顯的滯后作用，這是因?yàn)闈B透系數(shù)與體積含水量或飽和度是直接相關(guān)的。體積含水量及滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系存在相似的滯后現(xiàn)象。即滲透系數(shù)與體積含水量之間的關(guān)系基本上沒有滯后。因此為了研究的方便，本文只研究非飽和土滲透系數(shù)與飽和度或體積含水量之間的關(guān)系。

2.3.2 非飽和滲透系數(shù)

由土水特征曲線擬合得到的參數(shù)，結(jié)合van Genuchten-Mualem公式，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)兩種土不同含水量或基質(zhì)吸力下的滲透系數(shù)。圖4給出了非飽和土滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，非飽和土滲透系數(shù)隨飽和度的變化呈非線性變化，其隨著飽和度的增加而增加。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。從而可以得出，采用穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置測(cè)量非飽和土的土水特征曲線和滲透系數(shù)，可以得到滿意的結(jié)果。

圖4 非飽和土滲透系數(shù)測(cè)量與擬合結(jié)果比較

3 結(jié)語(yǔ)

（1）非飽和土滲透系數(shù)為非常量，其滲透系數(shù)隨著含水量的變化呈非線性變化。這表明非飽土具有與飽和土滲透特性明顯不同的特性，其滲透系數(shù)是含水量或基質(zhì)吸力的函數(shù)。

（2）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同種質(zhì)地的土，其顆粒組成不同，不但土水特征曲線有很大的差別，滲透系數(shù)也有很大的差別，顆粒分布比較廣的土，土水特征曲線較緩，相對(duì)地，滲透系數(shù)的變化范圍也較大；相反地，顆粒分布比較窄的土，其土水特征曲線較陡，相對(duì)地，滲透系數(shù)的變化范圍也較小。

（3）采用非飽和土穩(wěn)態(tài)滲透試驗(yàn)裝置不但可以得到土水特征曲線，而且可以得到滲透系數(shù)與含水量之間的關(guān)系，且其試驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果吻合較好，從而可以認(rèn)為，穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置可以作為直接測(cè)量非飽和土土水特征曲線和滲透系數(shù)的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行推廣使用。

[1] 謝定義, 陳正漢. 非飽和土力學(xué)特性的理論與測(cè)試[A].土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì). 非飽和土理論與實(shí)踐學(xué)術(shù)研討會(huì)文集[C]. 北京:北京科技出版社, 1992: 227-229.

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Testing study on permeability characteristics of unsaturated soil

*LIANG Ai-min1, LIU Xiao2

(1.School of Architecture Civil Engineering, Jinggangshan University, Jian,Jiangxi 343009, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

For complexity and diversity of unsaturated soil behaviors, there lies a great difference in permeability characteristics between unsaturated soil and saturated soil. It is difficult to perform test of unsaturated soil because of many factors. With the special apparatus of steady seepage, the permeability characteristics of unsaturated soil of is tested and studied, which sets up a new method for direct measuring the hydraulic conductivity of unsaturated soil. According to the test results, the relation between water content and hydraulic conductivity is obtained. The relation curves are fitted with the model of van Genuchten-Mualem to deduce correspondent fitting functions.

unsaturated soil; hydraulic conductivity; steady seepage; testing study; fitting

TU443

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.02.019

1674-8085(2012)02-0076-04

2011-12-28；

2012-02-27

江西省教育廳青年科學(xué)基金項(xiàng)目(GJJ10209)

*梁愛民(1976-)，女，山東鄆城人，講師，博士，主要從事研究巖土環(huán)境工程研究(E-mail: lam2001_2004@163.com);

劉 瀟(1983-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，博士生，主要從事巖土環(huán)境工程研究(E-mail: dliuxiao@hotmail.com).