CN101487787A - 快速确定非饱和土水力参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速确定非饱和土水力参数的方法，涉及一种非饱和土水力参数的测试方法。本发明主要包括下列步骤：①开展在一定条件下的多步流动试验，由试验得到饱和度随时间变化的关系曲线；同时，建立一个能够准确描述该条件下试样饱和度随时间变化的线性粘弹性模型；②计算毛细压力p_ci作用下的单位压力容水率C_i及特征时间τ_ci；③计算毛细压力p_ci作用下，试样处于平衡状态时的饱和度(S_r)_eq，i及渗透系数k_i。本发明是一种用一定条件下的多步流动试验结果来确定非饱和土水力参数的方法，该方法简单、有效，而且能在较短的时间内确定非饱和土水力参数。本发明也适用于对地下污染物的环境评价、降雨入渗等与渗流和非饱和土有关的相关领域。

Description

快速确定非饱和土水力参数的方法

技术领域

本发明涉及一种非饱和土水力参数的测试方法，尤其涉及一种快速确定非饱和土水力参数的方法。

背景技术

非饱和土水力参数包括土水特征曲线和渗透函数。所述的土水特征曲线描述的是毛细压力与含水量之间的关系；所述的渗透函数描述的是渗透系数与含水量或毛细压力之间的关系。通过它们可以计算非饱和土的强度、体应变、污染物在土壤中的运移规律等一系列问题。因此，非饱和土水力参数在解决非饱和土及渗流有关的问题中扮演着重要的角色。

传统确定非饱和土水力参数的试验方法主要有三大类：

第一大类，利用现有的试验装置(如：Temper cell、压力板等)测定非饱和土的土水特征曲线，再根据经典模型(Mualem、Burdine等模型)来预测非饱和土的渗透函数；

第二大类，采用两套试验装置分别测定非饱和土的土水特征曲线和渗透函数；

第三大类，在一套试验装置(如：Constant Flow Method)上同时测定非饱和土的土水特征曲线和渗透函数。

虽然这些传统的试验方法各具特色，但是它们存在一个共同的缺陷——要待达到平衡后才能进行测量，从而导致测试时间很长。

传统确定非饱和土水力参数的试验方法的原理均是建立在试样处于平衡状态下，测定非饱和土毛细压力与含水量之间的关系。然而，试样达到平衡状态需要一个过程。这就意味获得非饱和土水力参数需要很长时间，这主要由试样的土性及所要测的数据的个数决定。另外，由于传统确定非饱和土水力参数的试验方法需要很长时间，从而又会引发另一个不可避免的问题：高压气体通过水的流动在压力较低的高进气值陶土板的背面析出，影响测试精度。

综上所述，传统的试验方法有以下缺点：

①传统确定非饱和土的水力参数的试验方法是建立在试样处于平衡状态下测定的，从而导致其测试时间很长；

②高压气体通过水扩散，在压力较低的高进气值陶土板背面析出，影响测试精度。

因此，如何缩短测试时间，从而达到快速确定非饱和土水力参数的目的就成为需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，扩大现有技术的使用范围，提供一种快速确定非饱和土水力参数的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括下列步骤：

①开展在一定条件下的多步流动试验，由试验得到饱和度随时间变化的关系曲线；同时，建立一个能够准确描述该条件下试样饱和度随时间变化的线性粘弹性模型；

所述的一定条件是指在[t_i，t_i+1)时间内毛细压力p_ci保持不变；

②从[t_i，t_i+1)时间段内的饱和度与时间关系曲线中任取某两时刻t_i1、t_i2及其对应的饱和度S_r(t_i1)、S_r(t_i2)，通过建立的线性粘弹性模型计算毛细压力p_ci作用下的单位压力容水率C_i及特征时间τ_ci；

③利用单位压力容水率C_i、特征时间τ_ci与平衡状态下的饱和度(S_r)_eq，i和渗透系数k_i间的关系，计算毛细压力p_ci作用下，试样处于平衡状态时的饱和度(S_r)_eq，i及渗透系数k_i；

④重复以上步骤②③，直到试样处于平衡状态时的饱和度等于残余饱和度为止。

本发明的工作原理：

开展一定条件下的多步流动试验，由试验得到试样饱和度随时间变化的关系曲线。从该曲线的[t_i，t_i+1)时间内任取某两时刻t_i1、t_i2及其对应的饱和度S_r(t_i1)、S_r(t_i2)，通过建立一定条件下的线粘弹性模型计算毛细压力p_ci作用下的单位压力容水率C_i及特征时间τ_ci；随后，利用单位压力容水率C_i、特征时间τ_ci与平衡状态下的饱和度(S_r)_eq，i和渗透系数k_i间的关系，计算毛细压力p_ci作用下，试样处于平衡状态时的饱和度(S_r)_eq，i及渗透系数k_i。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、本发明是一种用一定条件下的多步流动试验结果来确定非饱和土水力参数的方法。该方法无需等待试样达到平衡状态后再进行测定，从而大大缩短了测试时间，有效地避免了高压气体通过水的流动在压力较低的高进气值陶土板背面析出的问题。

2、本发明是一种简单、有效，而且能在较短的时间内确定非饱和土水力参数的方法，因而突破传统确定非饱和土水力参数方法存在的耗时费力等缺陷，提高了确定非饱和土水力参数的速度和准确性。

3、本发明适用于对地下污染物的环境评价、降雨入渗等与渗流和非饱和土有关的相关领域。

附图说明

图1是多步流动试验装置示意图；

其中：

1—试样；

2—装样容器；

3—高精度伺服气泵；

4—高精度伺服流泵；

5—高进气值陶土板；

6—Teflon渗透膜。

图2是毛细压力和饱和度随时间变化关系示意图；

其中：

t_i—施加第i级毛细压力增量所对应的时刻；

t_ij—在[t_i，t_i+1)时间内任意取的时刻；

p_ci—在t_i时刻的毛细压力，且p_ci＝(p_a-p_w)_i在[t_i，t_i+1)保持不变；

Δp_ci—在t_i时刻的毛细压力增量。

S_r(t₁)—试样在时刻t₁的饱和度；

S_r(t_i1)—在[t_i，t_i+1)时间内t_i1时刻所对应的饱和度；

S_r(t_i2)—在[t_i，t_i+1)时间内t_i2时刻所对应的饱和度。

图3是C_i～p_ci关系曲线示意图；

其中：

C_i—毛细压力为p_ci时对应的单位压力容水率。

图4由于压力变化引起水的流动示意图。

其中：

p_a—施加的气压力；

p_w—施加的水压力；

Δp_w—降低的水压力值；

L—试样的长度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

1、关于步骤①

A、开展一定条件下的多步流动试验

采用如图1所示的多步流动试验装置，即将高精度伺服气泵3、装样容器2、试样1、Teflon渗透膜6、高进气值陶土板5和高精度伺服流泵4依次连接。随后，施加如图2所示毛细压力随时间变化关系(在时刻t₁，将毛细压力p_c0突然增加一个小增量Δp_c1至毛细压力p_c1，并保持其不变至t₂时刻；随后，在t₂时刻，将毛细压力p_c1突然增加一个小增量Δp_c2至毛细压力p_c2，并保持其不变至t₃时刻；依此类推，在t_n时刻，将毛细压力p_c(n-1)突然增加一个小增量Δp_cn至毛细压力p_cn，并保持其不变至t_n+1时刻)，得到试样饱和度随时间变化的关系曲线，如图2所示。

B、一定条件下线性粘弹性模型的建立

当处于平衡状态的非饱和土受到扰动时，瞬态的毛细压力增量可以表示为：

$\mathrm{\δ}{p}_c=\mathrm{\δ}(p_a-p_w)=\mathrm{\δ}{(p_a-p_w)}_{\mathrm{eq}}+\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{C}{\stackrel{.}{S}}_r=\frac{\mathrm{\δ}{S}_r}{C}+\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{C}{\stackrel{.}{S}}_r---\left(1\right)$

结合图2中毛细压力随时间变化关系及式(1)的线性特点，可以推得在[t_i，t_i+1)时间段内的任意时刻t_ij，非饱和土的饱和度为：

$S_r\left(t_{\mathrm{ij}}\right)=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}{C}_k[1-\exp (-\frac{t_{\mathrm{ij}}-t_k}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ck}}})]---\left(2\right)$

2、关于步骤②

从测得的饱和度随时间变化关系的[t_i，t_i+1)时间段内任取两时刻t_i1和t_i2及其对应的饱和度S_r(t_i1)和S_r(t_i2)。根据式(2)，S_r(t_i1)和S_r(t_i2)与τ_ci和C_i值之间存在以下对应关系：

$S_r\left(t_{i1}\right)=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}{C}_k[1-\exp (-\frac{t_{i1}-t_k}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ck}}})]---\left(3\right)$

$S_r\left(t_{i2}\right)=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}{C}_k[1-\exp (-\frac{t_{i2}-t_k}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ck}}})]---\left(4\right)$

从t₁时刻开始，利用式(3)、式(4)可以求得在毛细压力p_ci作用下的τ_ci和C_i。

3、关于步骤③

A、计算在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的饱和度(S_r)_eq，i

根据计算得到毛细压力p_ci下的单位压力容水率C_i，建立C_i～p_ci关系曲线，如图3所示。根据单位压力容水率C_i的定义及施加较小的毛细压力增量，可以得到试样处于平衡态下毛细压力为p_ci时所对应的饱和度(S_r)_eq，i，它可以用图3中的带斜杠的矩形面积加上初始时刻的饱和度来表示。即

${\left(S_r\right)}_{\mathrm{eq},i}=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}---\left(5\right)$

由于S_r(t₁)、C_i、Δp_ci均已知，因此，在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的饱和度(S_r)_eq，i可以通过式(5)求出。

B、计算在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的渗透系数k_i

如图4所示，在初始时刻t₀试样两端施加的压力使得孔隙中的水保持平衡。随后，在t_i时刻，试样右边的水压力突然降低Δp_w，此时孔隙中的水发生流动，并从试样的右端流出。在此过程中，孔隙中水的流动可以用达西定律来描述；此外，孔隙中的水还必须满足质量守恒定律。将流动方程和质量守恒方程相结合，可以得到特征时间与渗透系数之间的关系式，如下所示：

$k_i=-\frac{n{\mathrm{\γ}}_w{C}_i{L}^2}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ci}}}---\left(6\right)$

由于试样孔隙率n、试样长度L、水的重度γ_w、单位压力容水率C_i及特征时间τ_ci均已知，因此，在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的渗透系数k_i可以通过式(6)求出。

Claims (4)

1、一种快速确定非饱和土水力参数的方法，其特征在于包括下列步骤：

①开展在一定条件下的多步流动试验，由试验得到饱和度随时间变化的关系曲线；同时，建立一个能够准确描述该条件下试样饱和度随时间变化的线性粘弹性模型；

所述的一定条件是指在[t_i，t_i+1)时间内毛细压力p_ci保持不变；

②从[t_i，t_i+1)时间段内的饱和度与时间关系曲线中任取某两时刻t_i1、t_i2及其对应的饱和度S_r(t_i1)、S_r(t_i2)，通过建立的线性粘弹性模型计算毛细压力p_ci作用下的单位压力容水率C_i及特征时间τ_ci；

③利用单位压力容水率C_i、特征时间τ_ci与平衡状态下的饱和度(S_r)_eq，i和渗透系数k_i间的关系，计算毛细压力p_ci作用下，试样处于平衡状态时的饱和度(S_r)_eq，i及渗透系数k_i；

④重复以上步骤②③，直到试样处于平衡状态时的饱和度等于残余饱和度为止。

2、按权利要求1所述的一种快速确定非饱和土水力参数的方法，其特征在于步骤①：

A、开展一定条件下的多步流动试验

采用多步流动试验装置，即将高精度伺服气泵(3)、装样容器(2)、试样(1)、Teflon渗透膜(6)、高进气值陶土板(5)和高精度伺服流泵(4)依次连接；随后，施加一定条件的毛细压力，得到饱和度随时间变化的关系曲线；

B、一定条件下线性粘弹性模型的建立

当处于平衡状态的非饱和土受到扰动时，瞬态的毛细压力增量可以表示为：

${\mathrm{\δp}}_c=\mathrm{\δ}(p_a-p_w)=\mathrm{\δ}{(p_a-p_w)}_{\mathrm{eq}}+\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{C}{\stackrel{\·}{S}}_r=\frac{\mathrm{\δ}{S}_r}{C}+\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{C}{\stackrel{\·}{S}}_r---\left(1\right)$

在[t_i，t_i+1)时间内的任意时刻t_ij，非饱和土的饱和度为：

$S_r\left(t_{\mathrm{ij}}\right)=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}{C}_k[1-\exp (-\frac{t_{\mathrm{ij}}-t_k}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ck}}})]---\left(2\right)$

3、按权利要求1所述的一种快速确定非饱和土水力参数的方法，其特征在于步骤②：

在[t_i，t_i+1)时间内任取两时刻t_i1、t_i2及其对应的饱和度S_r(t_i1)、S_r(t_i2)，根据式(2)可以计算得到毛细压力为p_ci时所对应的τ_ci和C_i值。

4、按权利要求1所述的一种快速确定非饱和土水力参数的方法，其特征在于步骤③：

计算在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的饱和度(S_r)_eq，i

${\left(S_r\right)}_{\mathrm{eq},i}=S_r\left(t_1\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{ck}}---\left(3\right)$

计算在平衡状态下毛细压力为p_ci时所对应的渗透系数k_i

$k_i=-\frac{n{\mathrm{\γ}}_w{C}_i{L}^2}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ci}}}---\left(4\right)$

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