非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法，該方法包括簡(jiǎn)單的試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值分析，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值優(yōu)化擬合分析獲得非飽和狀態(tài)下土壤的相對(duì)滲透系數(shù)方程，從而計(jì)算得到非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)。本發(fā)明的適用對(duì)象主要是滲透系數(shù)較小的粘性土。本發(fā)明同時(shí)提供了一種數(shù)值分析程序，包括基本分析模塊和優(yōu)化反分析模塊；所述的基本分析模塊模擬試件在給定邊界邊界條件下的失水過(guò)程；優(yōu)化反分析模塊通過(guò)數(shù)值分析中的正交優(yōu)化方法、以測(cè)定的失水質(zhì)量-時(shí)間曲線為基本輸入，確定描述非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)隨飽和度變化的兩個(gè)參數(shù)Pr和m。本方法試驗(yàn)簡(jiǎn)單，操作方便，使用范圍廣，準(zhǔn)確度好，測(cè)定的其相對(duì)滲透系數(shù)方程可以直接應(yīng)用到土工結(jié)構(gòu)分析中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]在土木工程中，比如公路路基、土石壩粘土心墻，所有的工程及農(nóng)業(yè)用土皆可認(rèn)為是非飽和土:即氣體和水同時(shí)并存于土壤孔隙中。土的力學(xué)性能及變形性能同時(shí)受含水量及孔隙水壓力控制。相對(duì)滲透系數(shù)是反映水在非飽和土壤孔隙中遷移的重要參數(shù)，在路基變形、土石壩粘土心墻滲流控制、巖土工程施工、農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境研究中起著重要的作用，如何能正確、方便、準(zhǔn)確得測(cè)定土壤滲透系數(shù)隨飽和度的變化情況在科研和工作中至關(guān)重要。
[0003]在飽和狀態(tài)下，可以通過(guò)土壤滲透儀測(cè)定土壤的滲透系數(shù)。土壤滲透儀分為常水頭和變水頭兩種，常水頭土壤滲透儀主要用于砂土，變水頭土壤滲透儀主要用于測(cè)定滲透系數(shù)較小的粘土和粉土，無(wú)論是常水頭還是變水頭土壤滲透儀都僅僅適用于飽和土。而對(duì)于非飽和土，不僅需要知道土壤的固有滲透系數(shù)(Intrinsic Permeability),而且還需要知道滲透系數(shù)隨水飽和度變化的規(guī)律，即相對(duì)滲透系數(shù)(Relative Permeability)。非飽和土的孔隙由水和氣體填充。在完全飽和狀態(tài)，孔隙完全由水填充；隨著飽和度的降低，土壤中大的孔隙首先由空氣填充，土的透水性迅速下降；隨著飽和度的進(jìn)一步下降，氣體進(jìn)一步進(jìn)入到小的孔隙中，土的透水性顯著下降；當(dāng)土壤中的孔隙水不再連續(xù)時(shí)，土的透水系數(shù)降低為零。由于土壤孔隙中同時(shí)存在液體和氣體而形成的界面現(xiàn)象使得土中的氣體和液體承受不同的壓力:即孔隙水壓力Pw和孔隙氣壓力Pa。土樣干燥過(guò)程是一個(gè)內(nèi)部孔隙水散失的過(guò)程，其過(guò)程會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力和孔隙氣壓力不斷變化，兩者之間的差值通常定義為基質(zhì)吸力P。，即Pe=Pa-Pw。氣體進(jìn)入孔隙中時(shí)需要克服水氣界面上的表面張力作用。根據(jù)Jurin的理論，孔隙的直徑越小，表面張力作用越大，表現(xiàn)在需要較大的基質(zhì)吸力?；|(zhì)吸力是計(jì)算土樣相對(duì)滲透系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。因而實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量土壤的相對(duì)滲透系數(shù)并不容易:通常需要運(yùn)用軸平移技術(shù)，同時(shí)控制水壓力和氣壓力，并且需要高質(zhì)量的透水不透氣的陶瓷板，試驗(yàn)設(shè)備要求高，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，另外試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果只是針對(duì)特定的幾個(gè)飽和度下的相對(duì)滲透系數(shù)，需要進(jìn)一步擴(kuò)展，通過(guò)曲線擬合才能運(yùn)用到土工計(jì)算中。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和困難，本發(fā)明提供了一種非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法，該方法包括簡(jiǎn)單的試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值分析，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值優(yōu)化擬合分析獲得非飽和狀態(tài)下土壤的相對(duì)滲透系數(shù)方程，從而計(jì)算得到非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)。本發(fā)明中涉及的數(shù)值分析程序是發(fā)明人根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)編寫(xiě)的。本發(fā)明的適用對(duì)象主要是滲透系數(shù)較小的粘性土。
[0005]一種非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法，包括如下步驟:
[0006]1、利用放置有飽和鹽溶液的干燥器對(duì)非飽和土樣進(jìn)行干燥試驗(yàn)，觀測(cè)非飽和土樣的失水過(guò)程，在土樣出現(xiàn)裂縫后停止試驗(yàn)，得到土樣失水質(zhì)量-時(shí)間變化(M-t)曲線、干燥器內(nèi)部環(huán)境溫度-時(shí)間變化(τ-t)曲線和濕度-時(shí)間變化(RH-t)曲線；
[0007]2、建立在基質(zhì)吸力作用下土樣干燥過(guò)程基本控制方程及輔助方程，不考慮土壤變形對(duì)滲透系數(shù)的影響，具體推導(dǎo)如下:
[0008]根據(jù)廣義達(dá)西定律，水份在基質(zhì)吸力作用下的遷移規(guī)律可以描述為:
[0009]qw=kwgrad (Pc) (I)
[0010]式中qw為水份質(zhì)量流量，P。為基質(zhì)吸力，kw為廣義導(dǎo)水系數(shù)。
[0011 ] 在非飽和狀態(tài)下廣義導(dǎo)水系數(shù)kw可表達(dá)為:
[0012]kw=kj.krl (Sw) (2)
[0013]式中Ii1為土壤的固有滲透系數(shù)(Intrinsic permeability),可以通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定，krI為相對(duì)滲透系數(shù)(Relative permeability),是飽和度Sw的函數(shù)，Sw為土樣的水飽和度。
[0014]建立質(zhì)量平衡方程，土樣的脫水干燥過(guò)程，其水份質(zhì)量平衡方程可以表示為
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)-數(shù)值分析聯(lián)合測(cè)定法，其特征在于包括如下步驟: 1)利用放置有飽和鹽溶液的干燥器對(duì)非飽和土樣進(jìn)行干燥試驗(yàn)，觀測(cè)非飽和土樣的失水過(guò)程，在土樣出現(xiàn)裂縫后停止試驗(yàn)，得到土樣失水質(zhì)量-時(shí)間變化M-t曲線、干燥器內(nèi)部環(huán)境溫度-時(shí)間變化T-t曲線和濕度-時(shí)間變化RH-t曲線； 2)建立在基質(zhì)吸力作用下土樣干燥過(guò)程基本控制方程及輔助方程，不考慮土壤變形對(duì)滲透系數(shù)的影響，具體推導(dǎo)如下: 根據(jù)廣義達(dá)西定律，水份在基質(zhì)吸力作用下的遷移規(guī)律描述為:
Qw=kWgrad (Pc) (I) 式中qw為水份質(zhì)量流量，P。為基質(zhì)吸力，kw為廣義導(dǎo)水系數(shù)； 在非飽和狀態(tài)下廣義導(dǎo)水系數(shù)< 表達(dá)為: kw=kj.krl (Sw) (2) 式中Ic1為土壤的固有滲透系數(shù)，通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定，krI為相對(duì)滲透系數(shù)(Relative permeability),是飽和度Sw的函數(shù)，Sw為土樣的水飽和度； 建立質(zhì)量平衡方程，土樣的脫水干燥過(guò)程，其水份質(zhì)量平衡方程表示為
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK103760089SQ201410042655
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月29日
【發(fā)明者】邱秀梅, 卞漢兵, 趙曉龍 申請(qǐng)人:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)