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2023-07-01
土水特征曲线解析与优化
【摘要】：表9.1非饱和土水特征曲线的测定方法及适用范围离心法具有快速高效并且能测定高吸力值等特点。根据不同转速对应的基质吸力值、体积含水量就可拟合土水特征曲线。目前国内外使用最为普遍土壤水分特征曲线方程是VG模型。
土体饱和渗透系数与非饱和渗透系数都可根据达西定律确定。两者因饱和度不同而有所区别，饱和土中饱和度始终不变，其渗透系数K为常数；非饱和渗透系数K因土体基质吸力的存在，其大小与含水量有关。直接测定土体非饱和渗透系数试验过程非常困难，一般采用间接法测定，即先测定体积含水量与基质吸力的关系曲线，该曲线也称为土水特征曲线（Soil Water Characteristic Curve，SWCC）；然后根据经验模型拟合曲线，进而可推求体积含水量与渗透系数的关系曲线。
土水特征曲线的研究起源于土壤学和土壤物理学中的土壤水分特征曲线或土壤持水曲线，被定义为反映土的重力含水量或体积含水量或饱和度与基质吸力的关系曲线。它是与非饱和土结构、土颗粒组成成分、孔隙尺寸大小及分布以及土壤中水分变化历史等因素有关，反映了非饱和土对水分的吸持特性，是描述土-水作用的重要关系曲线。非饱和土-水特征曲线获取方法主要有以下两种。
1.试验测试法
非饱和土土水特征曲线的测定方法有体积压力板仪、盐溶液法、Tempe仪、滤纸法、离心机等，其特点见表9.1。
表9.1 非饱和土水特征曲线的测定方法及适用范围
离心法具有快速高效并且能测定高吸力值等特点。这里介绍离心机测试法，仪器为H-1400PF土壤水分特征曲线测定系统。
用离心机测定土水特征曲线的基本原理，实际上就是把重力场装置搬移到离心力场。在重力场中，H高度的水体受重力加速度G作用。在离心场中，加速度的作用由离心加速度rω2代替（r为运转半径，ω为角速度）。
式中：H为水势；r为离心机半径；h为装土高度；ρ为水的密度；N为转速，r/min。
将H转化为吸力值，进而可以计算出吸力和转速的对应关系。H-1400PF离心机转速与PF和bar值之间的关系，可用式（9.9）进行换算，
PF与bar值之间的换算式如下
X为基质吸力值，mbar。
根据不同转速值，就可得到相应bar值，见表9.2。根据不同转速对应的基质吸力值、体积含水量就可拟合土水特征曲线。
表9.2 离心机转速N与PF和bar值对应关系
2.经验拟合法
在试验结果基础上，可以拟合出不同的土水特征曲线模型。常用的经验模型有Broods-Corey模型、Gardner模型、Fredlund模型、Van-Genuchten模型（简称VG模型）和Gardner-Russo模型。目前国内外使用最为普遍土壤水分特征曲线方程是VG模型。目前这些经验关系已经在实际工程中得到了大量的验证，现介绍两种常用的经验模型。
（1）VG模型。Van Genuchten通过对土水特征曲线的研究，得出非饱和土体含水量与基质吸力之间的幂函数形式的关系式：
式中：h（θ）为土体基质吸力（负孔隙压力）；θ为土壤含水率；θs和θr分别为土体饱和含水率和残余含水率；a、m和n分别为非线性回归系数，其中m=1-1/n；KS为饱和导水率；K（h）为非饱和导水率。
（2）Fredlund模型。Fredlund等通过土体孔径分布曲线的研究，用统计分析理论推导出适用于全吸力范围的土水特征曲线表达式
式中：a、b、c为拟合参数，a为进气值函数，b为当基质吸力超过土的进气值时，土中水流出率函数，c为残余含水量函数；ψ为基质吸力；ψr为残余含水量θr所对应的基质吸力；θ为体积含水率；θS为饱和体积含水率。
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2023-07-01
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