[发明专利]一种原位测试土水特征曲线的方法

摘要

本发明涉及原位测试土水特征曲线的方法，适用于原位测试土质山体的土水特征曲线。本发明包含6个步骤：(1)测线的布置；(2)测试孔隙率和初始含水率；(3)埋设水分传感器；(4)记录水分传感器的读数；(5)注液孔周含水率的计算；(6)确定不同测点处的土水特征曲线。本发明综合考虑现场情况，基于水运动理论，提出了原位测试土水特征曲线的方法，该方法可以原位测试山体内部土的土水特征曲线，以及不同深度处土的土水特征曲线，分析山体内部土性质的空间变异性，为模拟山体的稳定性和山体中水的渗流问题提供可靠的土水特性参数。

主权项

1.一种原位测试土水特征曲线的方法，其特征是，包括以下步骤：第一步：测线的布置，在测试地点开挖一个半径为0.03m～0.08m、深度为1.0m～2.0m的注液孔，布置3条～5条垂直地表的含水率测线，第1条测线与注液孔轴线的水平距离为0.3m～0.8m，相邻测线间的水平距离为0.3m～0.8m；第二步：测试孔隙率和初始含水率，采用取土钻在布置的3条～5条测线处开挖，对每次开挖出来的土进行取样，记录土样对应的深度，采用现有的方法测试不同深度处土样的孔隙率和初始含水率；第三步：埋设水分传感器，每条测线上至少布置3个测点，每个测点处埋设一个水分传感器，各测线上同一深度的水分传感器称为1排，从上往下依次编号为第1排，第2排…，第q排，其中q为最底部排的排号，第1排测点与注液孔底的垂直距离为0.5m～1.0m，相邻排测点的垂直距离为0.5m～1.0m，由深到浅埋设水分传感器，先埋入最深处的水分传感器，将对应深度处的土体回填，回填到上一排水分传感器预设的位置，埋入水分传感器，直至水分传感器和土体全部回填为止，静置1周～2周；第四步：记录水分传感器的读数，往注液孔中注水，注入的流量为0.5m3/d～2.0m3/d，通过水分传感器的采集仪，记录不同时刻水分传感器的读数，直到所有水分传感器的读数均不随时间的变化而变化时，记录完毕；第五步：注液孔周含水率的计算，先建立非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学关系，当k为奇数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(1)描述，当k为偶数时，不同坐标处k时刻和k+1时刻的含水率之间的关系采用关系式(6)描述；关系式(1)：关系式(1)中，θ为含水率，k为时间结点，j为水平径向坐标结点，n为垂向坐标的最大结点，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，分别采用关系式(2)、(3)、(4)、(5)进行计算；关系式(2)、(3)、(4)、(5)分别为：关系式(2)、(3)、(4)、(5)中，a1i、b1i、c1i和d1i分别为关系式(1)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；关系式(6)：关系式(6)中，θ为含水率，k为时间结点，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，i为z坐标结点，m为r坐标的最大结点，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，采用关系式(7)、(8)、(9)、(10)进行计算；关系式(7)、(8)、(9)、(10)分别为：关系式(7)、(8)、(9)、(10)中，a′2i、b′2i、c′2i和d′2i分别为关系式(6)中的系数，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数，θ为含水率，k为时间结点，Δt为时间步长，以地面注液孔中心为原点，水平方向为r坐标，垂直地面向下方向为z坐标，建立柱坐标系，j为r坐标结点，r0为分析的起始r坐标，Δr为r坐标的步长，i为z坐标结点，Δz为z坐标的步长；在给定边界条件和初始条件的条件下，结合关系式(1)和关系式(6)可以计算出不同时刻、不同位置处的含水率；第六步：确定不同测点处的土水特征曲线，先选第1排、第2排、第3排的测点进行分析，结合第二步得到的各测点处的孔隙率和初始含水率，以各测点的初始含水率作为初始条件，以第1排测点、第3排测点、第1条测线上的第2排测点以及第3条测线上的第2排测点作为边界条件，先给定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率数学表达式中的参数，按照第五步的计算方法，可以得到这8个测点所围成的区域内任意位置含水率随时间的变化关系，也可以得到第2条测线上第2排测点的含水率随时间变化的计算值，与实测值进行比较，改变数学表达式中参数的取值，以计算值与实测值平方和最小作为确定非饱和扩散系数和非饱和渗透系数关系中参数的标准，采用现有的数学优化算法确定参数，把非饱和扩散系数和非饱和渗透系数与含水率的数学表达式代入关系式(11)中，确定的土水特征曲线作为第2条测线上第2排测点的土水特征曲线，选用第p‑1排、第p排、第p+1排的测点进行分析，可以测试第2条测线上第p排测点的土水特征曲线，其中p为某一排的排号，1关系式(11)中，h为基质吸力水头，θ为含水率，θs为饱和含水率，D为非饱和扩散系数，K为非饱和渗透系数。