CN116609241B - 用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非饱和土渗透性测试技术领域，尤其涉及一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置及方法，旨在解决现有非饱和渗透系数测试装置无法用于全吸力范围非饱和渗透系数测量以及测量成本高、精度差的问题。本发明提供的测试装置包括恒温恒湿箱、供水系统、土柱系统、第一天平和第二天平；供水系统包括空气压缩机和密封容器，用于向土柱系统提供稳定水流；空气压缩机与密封容器连通，用于向密封容器提供压缩空气；土柱系统包括至少六个堆叠的标准环刀样，相邻的标准环刀样之间设置有测试滤纸。通过供水系统和土柱系统的配合实现了可大范围调节的稳定的供水流速，并避免了对土体的扰动，提高了测量精度并实现了全吸力范围的测量。
Description
技术领域
本发明涉及非饱和土渗透性测试技术领域，尤其涉及一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置及方法。
背景技术
土水特征曲线(SWCC)和非饱和渗透性曲线(HCF)是描述非饱和土中水分运动的两个关键参数。 SWCC 描述了土体含水率与基质吸力之间的关系，土体中的基质吸力范围为0-106kPa。HCF描述了基质吸力和渗透系数之间的关系。针对SWCC，现有的技术和仪器可以实现整个吸力范围内的测量，例如轴平移技术（0-1500 kPa）、张力计（ 0-500 kPa）、滤纸（0-106kPa）、干湿计（100-8000 kPa）和蒸汽平衡技术（104-106kPa）。 影响 SWCC 的因素包括土体种类(如砂土、粉土、粉质粘土、粘土、膨胀土)、干密度、应力状态、土体结构、增湿或减湿路径等。在这些因素中，土体结构，特别是孔径分布曲线 (PSD)，控制着土体的SWCC。其他因素主要由于孔隙的不均匀性或通过改变土体结构（如土体密度，应力状态）而影响SWCC。 与对 SWCC 的众多研究相比，当前 HCF 的实验研究有限，其测试方法通常费力、繁琐且耗时。
HCF的测试方法可分为稳态法和瞬态法两类。稳态法包括恒水头法和恒流量法。在恒水头法中，基质吸力在试验过程中保持恒定，当水流量达到稳态后，可以利用达西定律计算渗透系数。在这种技术中，需要两个陶瓷板固定在试样的顶部和底部。在顶部陶瓷板上施加恒定水头，并向试样提供高气压。不同研究人员通过改进这种方法的实验细节，以获得良好的准确性。在恒流量法中，水流量保持不变，当水头损失稳定后，利用达西定律计算非饱和渗透系数。与恒水头法一样，也需要两个陶瓷板固定在试样的顶部和底部。这两种方法的一个显著缺点是需要很长时间才能达到平衡（例如，砂土需要 3-5 天，黏土需要 7-12天）。 通常，含水率越低平衡稳定所需时间越长。因此，这两种方法更适用于渗透性高的砂土。值得注意的是在离心机的帮助下，平衡时间会大大缩短，可获得低含水率或高吸力下的非饱和渗透系数。但是离心机测试昂贵，且可能引起土体变形，进而使得测试结果不准。
在瞬态方法中，土体含水率、水流量和水力梯度随时间变化。 通常有 3 种测试技术，即水平入渗法、溢出法和瞬时剖面法。在水平入渗法中，准备一个水平土柱，在一侧提供恒定的水头以进行水分迁移。记录不同位置土体含水率，并基于玻尔兹曼变换计算扩散和非饱和渗透系数。然而，此方法数据离散性大、测试结果不准，尤其是当土体接近饱和时这一问题更为显著。溢出法是一种相对方便获取的HCF 的方法。 实验过程类似于使用压力板仪装置测量 SWCC。这种方法的一个缺点是受陶土板进气值影响（陶土板进气值<1500kPa），测量数据限制在低吸力范围内。瞬态剖面法是另一种瞬态方法，多通过含水率反射计（WRC）和时域反射计（TDR）来获取含水率剖面，通过张力计获得不同位置土体基质吸力。但受测试原理和陶瓷头材料的限制，张力计只能测量 0-103kPa 的吸力范围。此外，瞬时剖面法中使用的探头，如张力计、水分探头、电阻率相对湿度探头和TDR等需要插入土柱中，会扰动土体，进而导致土体含水率和吸力测定误差。 此外，由于需要安装水分计探头，土柱的直径需要足够大以尽量减少干扰，这反过来又增加了制备均匀试样的难度。
综上所述，现有的非饱和渗透系数的测试多集中在低基质吸力范围内（<500kPa），这是因为试验过程中基质吸力测试探头（水平入渗法和瞬态剖面法） 或轴平移技术（溢出法） 所能测试或控制的基质吸力范围有限。尽管有个别研究通过测量相对湿度间接确定吸力或采用离心机技术，可实现全吸力范围HCF的测量，但操作繁琐价格昂贵且测试误差较大，不利于普通推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置及方法，以解决现有非饱和渗透系数测试装置无法用于全吸力范围非饱和渗透系数测量以及测量成本高、精度差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，包括恒温恒湿箱、供水系统、土柱系统、第一天平和第二天平；供水系统和土柱系统设置于恒温恒湿箱内；供水系统设置于土柱系统上方，包括空气压缩机和密封容器，用于向土柱系统提供稳定水流；空气压缩机与密封容器连通，用于向密封容器提供压缩空气；土柱系统包括至少六个沿竖直方向堆叠的标准环刀样，相邻的标准环刀样之间设置有测试滤纸；第一天平用于测量标准环刀样的质量，第二天平用于测量测试滤纸的质量。
进一步的，供水系统包括第一容器和陶土板；第一容器设置于密封容器内，陶土板设置于第一容器的下端以封闭第一容器的下端；陶土板的上方为水，陶土板的下方为土柱系统。
进一步的，供水系统还包括第二容器和蠕动泵；第一容器的上端设置有溢流管，溢流管与第二容器连通；蠕动泵一端与第二容器连通，另一端与第一容器连通，用于将第二容器中的水输送至第一容器内。
进一步的，供水系统还包括透水石，透水石设置于陶土板和土柱系统之间。
进一步的，供水系统还还包括减压阀和气压表，减压阀和气压表设置于空气压缩机和密封容器之间，用于调节和显示气压。
进一步的，土柱系统还包括保护滤纸，保护滤纸设置于测试滤纸两侧，保护滤纸背离测试滤纸的一侧与标准环刀样接触。
进一步的，测试滤纸选用Whatman No. 42滤纸。
进一步的，土柱系统包括6个沿竖直方向堆叠的标准环刀样。
进一步的，第一天平的精度为0.01g，第二天平的精度为0.0001g。
本发明的另一方面，提供了一种全吸力范围非饱和渗透系数的测试方法，使用上述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，包括如下步骤：
制备土样：在标准环刀样的上下表面粘上保护滤纸后将其置于烘箱中烘干，然后放置在干燥器中静置至室温，并测量质量；测试滤纸用另一烘箱在无尘环境下烘干后测量质量；最后将粘有保护滤纸的标准环刀样和测试滤纸堆叠成土柱；
土柱上方供水：预先测定陶土板饱和试样的渗透系数，据此确定供水系统所需提供的稳定水流，进而确定空气压缩机需提供的气压，随后将供水系统置于土柱系统上方进行供水；
含水率和基质吸力剖面的测定：每隔设定时间进行一次测量，以获得粘有保护滤纸的标准环刀样的质量和测试滤纸的质量，进而计算土柱相应位置处的含水率，得到含水率剖面，同时计算测试滤纸的含水率并计算基质吸力，最终得到土柱的基质吸力和水头剖面；
数据处理：通过含水率和基质吸力剖面的测定步骤可得到土柱不同深度的含水率与基质吸力随时间变化的曲线，进而用瞬态剖面法计算土样的非饱和渗透系数。
综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：
本发明提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置包括恒温恒湿箱、供水系统、土柱系统、第一天平和第二天平；供水系统和土柱系统设置于恒温恒湿箱内；供水系统设置于土柱系统上方，包括空气压缩机和密封容器，用于向土柱系统提供稳定水流；空气压缩机与密封容器连通，用于向密封容器提供压缩空气；土柱系统包括至少六个沿竖直方向堆叠的标准环刀样，相邻的标准环刀样之间设置有测试滤纸；第一天平用于测量标准环刀样的质量，第二天平用于测量测试滤纸的质量。
本发明提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置通过空气压缩机增大供水系统的压力，使得供水系统提供的稳定水流可大范围调节，解决了现有设备供水流速不可大范围调节、测试结果不准确的问题，并通过两个天平分别测量多个标准环刀样和测试滤纸，避免了相关探头插入土体，造成土体扰动而影响测量准确性的问题，同时也借助滤纸实现全吸力范围HCF的测量。即通过供水系统提供可大范围调节的稳定水头以提供可长时间稳定控制、同时可大范围调节的供水流速，并通过土柱系统避免了土体扰动，实现了以简单的操作、低廉的设备成本对不同土性（粉土、粉质粘土、粘土等）进行高精度的全吸力范围非饱和渗透系数测试，有利于技术人员广泛开展相关工作，为生产和研发提供可靠的数据支撑，提高相应的生产效率。
尤其在于如果供水系统的供水水头不可调节时，需要通过陶上板来改变供水流速以满足不同土性要求，则需生产大量具有不同渗透系数的陶土板。由于陶土板渗透系数难以控制，加工的同一批次的陶土板其渗透系数也各不相同，试验时首先需要对陶土板的渗透系数进行测试，显著提升了测试成本，并且会产生大量不可用的陶土板。而本发明通过调节气压来调整总水头，以实现供水流速的调整，可以显著降低对陶土板的参数要求，不需要更换陶土板，也不需要生产大量的陶土板，极大地降低了测试成本，有利于测试应用的推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置的另一结构示意图；
图3为供水系统的结构示意图；
图4为土柱的堆叠示意图；
图5为土柱试验水头剖面和含水率剖面示意图；
图6为水头过大时测得的非饱和渗透系数
图7为测得的全吸力范围非饱和渗透系数。
图标：100-恒温恒湿箱；200-供水系统；300-土柱系统；210-空气压缩机；220-密封容器；230-第一容器；240-陶土板；250-第二容器；260-蠕动泵；270-透水石；280-减压阀；290-气压表；310-标准环刀样；320-测试滤纸；330-保护滤纸；340-样品支架；211-溢流管；221-顶盖；222-容器本体；223-螺栓；224-支撑架；341-半圆环立柱；342-底板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
现有的非饱和渗透系数的测试装置存在无法用于全吸力范围HCF测量以及测量成本高、精度差的问题。
有鉴于此，本发明提供了一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，包括恒温恒湿箱100、供水系统200、土柱系统300、第一天平和第二天平，如图1所示。
以下结合图1-图7对本实施例提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置的结构和形状进行详细说明：
本实施例中，供水系统200和土柱系统300设置于恒温恒湿箱100内以提高实验精度。通常每次非饱和渗透系数的测试时间为15天，通过使用恒温恒湿箱100以减少因长时间实验导致的误差。
本实施例中，供水系统200设置于土柱系统300上方，包括空气压缩机210、密封容器220、第一容器230、陶土板240、第二容器250、蠕动泵260、透水石270、减压阀280和气压表290，如图2、图3所示。空气压缩机210与密封容器220连通，用于向密封容器220提供压缩空气，空气压缩机210与密封容器220之间设置有减压阀280和气压表290，减压阀280用于调节气压，气压表290用于显示气压以便于调整压力，需要说明的是，为减小对恒温恒湿环境的影响以及便于调节气压，可将空气压缩机210、减压阀280和气压表290设置于恒温恒湿箱100外。
第一容器230和第二容器250设置于密封容器220内，陶土板240设置于第一容器230的下端用以封堵第一容器230。具体的，第一容器230为空心圆柱，下端由陶土板240封闭，用于容纳水。陶土板240的上方为水，下方为透水石270，透水石270下方为土柱系统300，第一容器230中的水依次经过陶土板240、透水石270进入土柱系统300。其中，透水石270使经过陶土板240的水均匀入渗到土柱系统300。本实施例中，第一容器230和第二容器250选用玻璃瓶，第一容器230为耐高压玻璃瓶。
其中，密封容器220包括顶盖221、容器本体222、螺栓223和支撑架224。如图3所示，容器本体222上下均开口，上端由顶盖221封闭，下端由陶土板240封闭，螺栓223将顶盖221和容器本体222进行连接；支撑架224设置于容器本体222并位于陶土板240下方，用以承托陶土板240，支撑架224可设置为网状结构。陶土板240与容器本体222之间设置有密封圈，用以提高密封性，防止水从陶土板240和容器本体222之间通过。
本实施例中，第一容器230的上端设置有溢流管211，第一容器230中的水经过溢流管211流入第二容器250，蠕动泵260一端与第二容器250连通，另一端与第一容器230连通，用于将第二容器250中的水输送至第一容器230内，从而使第一容器230中的液面高度保持恒定，避免因水分入渗等因素造成的液面位置降低，进而保证位置水头恒定。
即通过空气压缩机210和减压阀280向密封容器220内输入压缩空气以调整密封容器220内的气压，进而调整供水系统200的总水头。通过第一容器230、第二容器250和蠕动泵260建立的循环使第一容器230中的液面保持恒定，从而保证供水系统200的位置水头恒定。因此，仅通过改变气压即可改变供水系统200的总水头，从而实现供水流速的大范围调节和长时间稳定控制，最终实现不同土性试样的全吸力范围饱和渗透系数的连续测试，解决了现有设备供水流速不可大范围调节、测试结果不准确、测试成本高、操作复杂的问题。
其中， ，/>为供水系统200的总水头；/>为供水系统200的位置水头，即由第一容器230内液面到陶土板240上端面的势能；ua为空气压缩机210提供的气压，u0为标准大气压，/>为由于气压增大而增加的水头。
需要说明的是，提供恒定水头可使用马氏瓶原理实现，但其水头大小难以调节，向下方土柱系统300的供水流速完全由陶土板240的渗透系数控制。需要通过更换不通渗透系数的陶土板240来改变供水流速。已实现工业化生产的陶土板240的型号有300 kPa，500kPa和1500kPa，但其渗透系数极小（300 kPa的渗透系数仅为2.0×10-8m/s），不能满足试验要求，为此需加工渗透系数合适的陶土板240。但由于工艺问题，陶土板240的渗透系数难以控制，即便同一批次的陶土板240，其渗透系数也各不相同，因此每次测试前需做大量的测试性试验以得到所需参数的陶土板240，而且大量的陶土板240中只有小部分可用于测试，这一过程耗时、耗钱、费力，成本极高且材料浪费严重，不适宜大量推广。
本实施例中，土柱系统300包括标准环刀样310、保护滤纸330、测试滤纸320和样品支架340。其中，标准环刀样310、保护滤纸330和测试滤纸320组成土柱。土柱系统300包括至少6个沿竖直方向堆叠的标准环刀样310，相邻的标准环刀样310之间设置有测试滤纸320，测试滤纸320两侧设置有保护滤纸330，保护滤纸330背离测试滤纸320的一侧与标准环刀样310接触，以避免标准环刀样310污染测试滤纸320。
本实施例中，为保证测量结果准确，优选使用6个沿竖直方向堆叠的标准环刀样310。标准环刀样310数量过多，试验周期会过长，容易导致测试误差，且不利于快速测量标准环刀样310的质量，因测量时间过长导致水分散失也会产生测量误差；标准环刀样310数量过少，测试数据点少，无法保证测试结果的准确性。其中，测试滤纸320选用Whatman No.42滤纸，保护滤纸330选用普通滤纸。具体的，标准环刀样310的直径为61.8mm，保护滤纸330的直径为61.8mm，测试滤纸320的直径为50mm，即测试滤纸320的直径效率保护滤纸330，以避免标准环刀样310污染测试滤纸320。
本实施例中，样品支架340用于保持土柱的稳定，避免倒塌，具体的，样品支架340包括半圆环立柱341和底板342，底板342连接于半圆环立柱341的下端，标准环刀样310与半圆环立柱341同轴设置，用以获得半圆环立柱341的支撑，且便于取出标准环刀样310进行测量。本实施例中，样品支架采用不锈钢制成。
本实施例中，第一天平用于测量标准环刀样310的质量，第二天平用于测量测试滤纸320的质量。其中，第一天平的精度为0.01g可选用普通天平；第二天平的精度为0.0001g，可选用高精度分析天平。需要说明的是，第一天平可以选用精度更高的天平，此外不需要对保护滤纸330进行测量。
综上所述，本实施例提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置通过供水系统200向土柱系统300提供稳定的水流流速，并可通过改变空气压缩机210的稳定气压改变总水头，进而调整水流流速，避免因测试时间过长导致的误差并实现了全吸力范围非饱和渗透系数测试。同时通过多个堆叠的标准环刀样310避免了向土体中插入探头，从而避免了土体扰动的问题，进一步保证了测试的准确性。
需要注意的是，供水系统200所提供的稳定水流是全吸力范围非饱和渗透系数测试的关键，稳定水流即流速稳定的水流。水流的流速过快，入渗速率越大，土体很快达到饱和状态，很难获得高基质吸力段（低含水率段）的测试数据，如图6所示，因此只能获得测低吸力段的非饱和渗透系数(如基质吸力<100 kPa)；水流的流速过低，则入渗速率过低，导致测试时间过长，使测试误差较大。
本实施例提供的供水系统200能实现供水流速的大范围调节和长时稳定控制，进而实现不同土性（粉土、粉质粘土、黏土等）试样的全吸力范围（0-106kPa）非饱和渗透系数的连续测试，解决了当前稳定供水流速不可大范围调节、全吸力范围非饱和渗透系数测试技术匮乏的问题，具有操作简单、成本低廉、测试精度高的优点，便于推广应用，为生产和科研提供可靠的支持，有利于研究工作的展开，进而提高经济收益。
其中，空气压缩机210、密封容器220和减压阀280用于提供可大范围调整的稳定气压，第一容器230、第二容器250和蠕动泵260则用于保持位置水头的恒定。通过两者的结合，可提供稳定且可大范围调整的总水头，进而使供水流速稳定且可大范围调整，同时无需使用离心机以及筛选大量的陶土板240，能够以低廉的设备成本、材料成本，以及简单的操作实现更为准确的全吸力范围非饱和渗透系数的测试，避免了土体扰动带来的影响。具体的，供水系统200向土柱系统300供水的单位流量/水流流速为：
；
其中，Q为单位流量，v为水流流速；t为单位时间，取值1；为陶土板240的渗透系数，B为陶土板的厚度。需要注意的是，透水石270的作用是使水均匀入渗到土柱中，其渗透系数很大，不会影响供水流量和流速。
由于供水系统200和土柱系统300的体积小，可以在恒温恒湿箱100内放置多个供水系统200和土柱系统300，供水系统200和土柱系统300一一对应。多个供水系统200可共用一个空气压缩机210以保证提供相同的压力条件。通过设置多个土柱系统300并分别用于测试同一土性不同干密度的土样，可以实现快速测量同一土性不同干密度的土样的渗透性，进而获取土体的密实程度对渗透性的影响，为准确分析水分入渗规律提供依据。
基于本实施例提供的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置提出了一种全吸力范围非饱和渗透系数的测试方法，包括如下步骤：
S100-制备土样：土柱由6个标准环刀样310和5张测试滤纸320依次叠制而成。给标准环刀样310的上下表面粘上保护滤纸330之后，将其置于烘箱中烘干，烘箱的温度设置为105 ℃，烘干时间为8小时。烘干后的土样需放置在干燥器中静置至室温（20℃），并测量质量。Whatman No. 42型测试滤纸320使用另一个烘箱在无尘环境下的中烘干，以免测试滤纸320被灰尘污染，烘箱温度与烘干时间和标准环刀样310一致。测试滤纸320烘干后，用高精度分析天平快速称量测试滤纸320的质量，然后将粘有保护滤纸330的标准环刀样310和测试滤纸320叠放成土柱，置于样品支架340上。
S200-土柱上方供水：预先测定陶土板240饱和试样的渗透系数，据此确定供水系统200中密封容器220内的气体压力，该压力通过减压阀280调节控制，空气压缩机210提供的压力宜大于所需要的压力，从而提供稳定的水头以实现稳定的供水流速。然后将第二容器250中放2/3的水，第一容器230中放满水。将供水系统200置于土柱系统300上方开始供水。
试验中为了防止土柱中的水分蒸发，需将供水系统200和土柱系统300置于恒温恒湿箱100中，仅记录数据时从恒温恒湿箱100中取出即可。
S300-含水率和基质吸力剖面的测定：试验过程中，每隔设定时间记录一次数据，包括每个标准环刀样310（含保护滤纸330）的质量和测试滤纸320的质量，测量时需将土柱从恒温恒湿箱100中取出并快速完成测量。进而根据标准环刀样310的质量获得土柱相应位置处的含水率，得到含水率剖面；根据Whatman No. 42型测试滤纸320的质量并计算其含水率，进而通过Whatman No. 42滤纸的率定方程计算基质吸力，得到土柱相应位置的基质吸力和水头剖面。
Whatman No. 42滤纸的率定方程如下：
(1)
其中ψ为土柱相应位置的基质吸力，wf为滤纸的含水率。
称量过程需要两名试验员相互配合，一人负责称量标准环刀样310，一人负责称量测试滤纸320。由于测试滤纸320的含水率易受环境温度和湿度的影响，在空气中暴露时间较长时其含水率会发生变化，因此称量测试滤纸320时，要尽量快，两个试验人员要合作默契。为了避免试验环境和测试滤纸320裸露时间对实验结果产生较大的影响，测试滤纸320的称量时间要严格限制在5 s以内，同样称量标准环刀样310时也需快速称量，尽量在10 s内完成。称量间隔可选择2-4小时内任意时间点，且间隔时间不必相等。
以标准环刀样310（含保护滤纸330）或测试滤纸320烘干后的质量为m0，试验过程中测得的重量m1， 则水分的重量为m1-m0，含水率w=(m1-m0)/m0×100%
S400-数据处理：通过S300步骤获得的多组数据可得到土柱不同深度的含水率与基质吸力随时间变化的曲线，称之为含水率剖面和基质吸力剖面，随后可用瞬态剖面法计算土样的非饱和渗透系数。
以土柱的顶面深度为0cm，土柱的底面深度为Lcm，zm表示土柱上m位置的测试滤纸320的截面深度，zm-1表示m截面上一张的测试滤纸320的截面深度，即测试滤纸320从上到下依次编号为1，2，3，……，m-1，m，m+1,……，本实施例中土柱包括6个标准环刀样310和5张测试滤纸320，m的取值范围即1，2，3，4，5。以m截面为例，计算其ti-1到ti的时间内的渗透系数，/>=ti-ti-1，具体计算过程如下：
首先通过基质吸力剖面计算水头剖面：忽略速度水头，m截面处的总水头hm为：
（2）
式中，htm是m截面处的吸力水头；hzm是m截面处的位置水头，即m截面到土柱底面的势能； 是m截面处的基质吸力，ρw为水的密度1g/cm3, g为重力加速度9.8 m/s2，其中可由式（1）根据m截面处滤纸的含水率计算得到。
通过式（2）将基质吸力ψ随时间变化的剖面转换为水头h随时间变化的剖面，如图5所示。图5是不同时刻土柱的水头剖面和含水率剖面，这里以任一测试滤纸320所在的m截面为例介绍非饱和渗透系数的计算方法。已知土柱的总高度为12 cm，每个标准环刀样310的高度为2cm。若m截面的深度zm等于8 cm，m-1表示上一测试滤纸320所在的计算截面，m-1截面的深度zm-1等于6 cm，此时m=4。水流在时间段ti-1到ti内通过m截面的平均流速用下式（3）计算。
（3）
式中，θw(z,t)为体积含水率剖面在t时刻关于深度z的函数，为ti-1到ti时刻内通过m截面的流量，即图5中阴影部分面积，dt为测量的时间间隔，即ti-ti-1，A为土柱的横截面面积。
m截面处时间内的平均水力梯度 />可用向后差分法计算，即
（4）
式中，，/>分别为m截面分别在ti-1和ti时刻的总水头；/> ,分别为m-1截面在ti和ti-1时刻的总水头，可由式（2）计算得到。
用达西定律计算m截面在内的非饱和渗透系数km，该非饱和渗透系数对应的基质吸力ψm为m截面测试滤纸320在ti-1到ti时刻内的平均基质吸力。
（5）
图7即实际试验时测得的全吸力范围非饱和渗透系数，需要说明的是，用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置置于恒室温20℃的环境中进行测试，以保证测试结果的准确稳定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，其特征在于，包括恒温恒湿箱（100）、供水系统（200）、土柱系统（300）、第一天平和第二天平；
所述供水系统（200）和所述土柱系统（300）设置于所述恒温恒湿箱（100）内；
所述供水系统（200）设置于所述土柱系统（300）上方，包括空气压缩机（210）和密封容器（220），用于向所述土柱系统（300）提供稳定水流；所述空气压缩机（210）与密封容器（220）连通，用于向密封容器（220）提供压缩空气；
所述土柱系统（300）包括至少六个沿竖直方向堆叠的标准环刀样（310），相邻的所述标准环刀样（310）之间设置有测试滤纸（320）；
所述第一天平用于测量所述标准环刀样（310）的质量，所述第二天平用于测量所述测试滤纸（320）的质量；
所述供水系统（200）还包括第一容器（230）和陶土板（240）；
所述第一容器（230）设置于所述密封容器（220）内，所述陶土板（240）设置于所述第一容器（230）的下端以封闭所述第一容器（230）的下端；
所述陶土板（240）的上方为水，所述陶土板（240）的下方为所述土柱系统（300）；
所述供水系统（200）还包括第二容器（250）和蠕动泵（260）；
所述第一容器（230）的上端设置有溢流管（211），所述溢流管（211）与所述第二容器（250）连通；
所述蠕动泵（260）一端与所述第二容器（250）连通，另一端与所述第一容器（230）连通，用于将所述第二容器（250）中的水输送至所述第一容器（230）内；
所述土柱系统（300）还包括保护滤纸（330），所述保护滤纸（330）设置于所述测试滤纸（320）两侧，所述保护滤纸（330）背离所述测试滤纸（320）的一侧与所述标准环刀样（310）接触；
所述测试滤纸（320）选用Whatman No. 42滤纸。
2.根据权利要求1所述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，其特征在于，所述供水系统（200）还包括透水石（270），所述透水石（270）设置于所述陶土板（240）和所述土柱系统（300）之间。
3.根据权利要求2所述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，其特征在于，所述供水系统（200）还包括减压阀（280）和气压表（290），所述减压阀（280）和所述气压表（290）设置于所述空气压缩机（210）和所述密封容器（220）之间，用于调节和显示气压。
4.根据权利要求1所述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，其特征在于，所述土柱系统（300）包括6个沿竖直方向堆叠的所述标准环刀样（310）。
5.根据权利要求1所述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，其特征在于，所述第一天平的精度为0.01g，所述第二天平的精度为0.0001g。
6.一种全吸力范围非饱和渗透系数的测试方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置，包括如下步骤：
制备土样：在所述标准环刀样（310）的上下表面粘上所述保护滤纸（330）后将其置于烘箱中烘干，然后放置在干燥器中静置至室温，并测量质量；所述测试滤纸（320）用另一烘箱在无尘环境下烘干后测量质量；最后将粘有所述保护滤纸（330）的所述标准环刀样（310）和所述测试滤纸（320）堆叠成土柱；
土柱上方供水：预先测定所述陶土板（240）饱和试样的渗透系数，据此确定所述供水系统（200）所需提供的稳定水流，进而确定所述空气压缩机（210）需提供的气压，随后将所述供水系统（200）置于所述土柱系统（300）上方进行供水；
含水率和基质吸力剖面的测定：每隔设定时间进行一次测量，以获得粘有所述保护滤纸（330）的所述标准环刀样（310）的质量和所述测试滤纸（320）的质量，进而计算土柱相应位置处的含水率，得到含水率剖面，同时计算所述测试滤纸（320）的含水率并计算基质吸力，最终得到土柱的基质吸力和水头剖面；
数据处理：通过所述含水率和基质吸力剖面的测定步骤可得到土柱不同深度的含水率与基质吸力随时间变化的曲线，进而用瞬态剖面法计算土样的非饱和渗透系数。
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