[发明专利]非饱和土相对渗透系数的试验-数值分析联合测定法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种非饱和土相对渗透系数的试验-数值分析联合测定法。

二、背景技术

在土木工程中，比如公路路基、土石坝粘土心墙，所有的工程及农业用土皆可认为是非饱和土：即气体和水同时并存于土壤孔隙中。土的力学性能及变形性能同时受含水量及孔隙水压力控制。相对渗透系数是反映水在非饱和土壤孔隙中迁移的重要参数，在路基变形、土石坝粘土心墙渗流控制、岩土工程施工、农业土壤环境研究中起着重要的作用，如何能正确、方便、准确得测定土壤渗透系数随饱和度的变化情况在科研和工作中至关重要。

在饱和状态下，可以通过土壤渗透仪测定土壤的渗透系数。土壤渗透仪分为常水头和变水头两种，常水头土壤渗透仪主要用于砂土，变水头土壤渗透仪主要用于测定渗透系数较小的粘土和粉土，无论是常水头还是变水头土壤渗透仪都仅仅适用于饱和土。而对于非饱和土，不仅需要知道土壤的固有渗透系数(Intrinsic Permeability),而且还需要知道渗透系数随水饱和度变化的规律，即相对渗透系数(Relative Permeability)。非饱和土的孔隙由水和气体填充。在完全饱和状态，孔隙完全由水填充；随着饱和度的降低，土壤中大的孔隙首先由空气填充，土的透水性迅速下降；随着饱和度的进一步下降，气体进一步进入到小的孔隙中，土的透水性显著下降；当土壤中的孔隙水不再连续时，土的透水系数降低为零。由于土壤孔隙中同时存在液体和气体而形成的界面现象使得土中的气体和液体承受不同的压力：即孔隙水压力P_w和孔隙气压力P_a。土样干燥过程是一个内部孔隙水散失的过程，其过程会导致孔隙水压力和孔隙气压力不断变化，两者之间的差值通常定义为基质吸力P_c，即P_c=P_a-P_w。气体进入孔隙中时需要克服水气界面上的表面张力作用。根据Jurin的理论，孔隙的直径越小，表面张力作用越大，表现在需要较大的基质吸力。基质吸力是计算土样相对渗透系数的一个重要参数。因而实验室或现场测量土壤的相对渗透系数并不容易：通常需要运用轴平移技术，同时控制水压力和气压力，并且需要高质量的透水不透气的陶瓷板，试验设备要求高，试验时间长，另外试验测得的结果只是针对特定的几个饱和度下的相对渗透系数，需要进一步扩展，通过曲线拟合才能运用到土工计算中。

三、发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷和困难，本发明提供了一种非饱和土相对渗透系数的试验-数值分析联合测定法，该方法包括简单的试验测试和数值分析，通过简单的实验室试验和数值优化拟合分析获得非饱和状态下土壤的相对渗透系数方程，从而计算得到非饱和土相对渗透系数。本发明中涉及的数值分析程序是发明人根据实验室试验编写的。本发明的适用对象主要是渗透系数较小的粘性土。

一种非饱和土相对渗透系数的试验-数值分析联合测定法，包括如下步骤：

1、利用放置有饱和盐溶液的干燥器对非饱和土样进行干燥试验，观测非饱和土样的失水过程，在土样出现裂缝后停止试验，得到土样失水质量-时间变化（M-t）曲线、干燥器内部环境温度-时间变化（T-t）曲线和湿度-时间变化（RH-t）曲线；

2、建立在基质吸力作用下土样干燥过程基本控制方程及辅助方程，不考虑土壤变形对渗透系数的影响，具体推导如下：

根据广义达西定律，水份在基质吸力作用下的迁移规律可以描述为：

q_w=k_wgrad(P_c)  (1)

式中q_w为水份质量流量，P_c为基质吸力，k_w为广义导水系数。

在非饱和状态下广义导水系数k_w可表达为：

k_w=k_I·k_rl(S_w)  (2)

式中k_I为土壤的固有渗透系数(Intrinsic permeability)，可以通过变水头渗透试验测定,k_rI为相对渗透系数(Relative permeability)，是饱和度S_w的函数，S_w为土样的水饱和度。

建立质量平衡方程，土样的脱水干燥过程，其水份质量平衡方程可以表示为