试验结果及分析
3.2.2.1 非饱和砂的土水特征曲线试验分析
应力相关的土水特征曲线是指在一定应力状态下非饱和土的基质吸力（土壤内部的孔隙气压力和孔隙水压力的差值）与含水量之间的曲线关系。应力相关的土水特征曲线是非饱和土的一个重要基本性质，表征土体在一定应力状态、不同吸力下的持水能力。本研究首先通过SWCC装置获得毛乌素沙漠风积砂在不同密度状态下较为完整的脱湿和吸湿土水特征曲线，然后研究了不同密度条件下土水特征曲线的滞回特性及其变化趋势。
图3.11是实验测试装置的三个主要的组成部分。
本试验研究首先进行减湿试验，然后进行增湿试验。由于砂土相关试验研究较少，制样与试验中存在较多问题。一方面，本次试验制作的饱和细砂在减湿试验时测量管冒气导致试验失败，通过反复尝试，发现是由于基质吸力试验中，常常采用的抽气饱和法制样时细砂中粘粒导致的水包气影响所致，当采用9.8％的含水量制湿样进行减湿试验时获得成功（图3.12）；另一方面，由于封闭气泡影拆宏响，增湿平衡时间仍较长，故实际试验亦未达到较高的饱和度（图3.13）。
图3.11 试验测试装置
图3.12 制样
图3.13 试验测试
当土体密实状态不同时，土中孔隙的体积也不同，这会导致这些孔隙对应的有效孔径发生改变。由于非饱和土分为水连通、双开敞、气连通三种状态，因此，土样的湿度会对土水特征曲线的形状产生较大影响。为了便于分析这一影响，图3.14～图3.16中给出了普通自然坐标的表达。
图3.14 1.53g/cm3密度状态下脱湿和吸湿土水特征曲线
图3.15 1.60g/cm3密度状态下脱湿和吸湿土水特征曲线
从图3.14可以看出，在相同的干密度下基质吸力对含水率的变化比较敏感，随着含水率的增加基质吸力呈现出急剧减小的趋势。一方面，增湿曲线位于减湿曲线下部；另一方面，水连通气封闭状态的土样湿度较大使得基质吸力较小段的土水特征曲线的形状较陡；双开敞状态的土样湿度使得土水特征曲线的形状变化较大，曲早御模陆缓线的梯度变化剧烈；水封闭气连通状态的土样湿度很小使得土水特征曲线的形状接近水平，变化较缓，图3.15和图3.16中亦有类似的规律。
对比分析图3.14、图3.15和图3.16可知，土体密度越大导致孔隙相应减小从而使得孔隙对应的有效孔径减小；基质吸力在含水率较高时对密度状态的变化不敏感，而在含水率较低时对密度状态的变化比较敏感。
因此，毛乌素沙漠风积砂密度与增减湿滞回圈之间的变化规律为：当土体密度发生改变时，SWCC曲线上的各点将会上下运动，从而滞回圈也有所变化。
3.2.2.2 饱和砂的渗透系数试验分析
为了方便相关数值计算，测定了毛乌素沙漠风积砂的渗透性，通过常水头渗透试验结果，分析了渗透系数与密度关系，如图3.17所示。研究表明：渗透系数随着毛乌素沙漠风积砂密度的增大而减小，通过拟合得出了渗透系数与密度的关系曲线，为有限元数值模拟计算提供了相关计算参数。
图3.16 1.70g/cm3密度状态下脱湿和吸湿土水特征曲线
图3.17 不同密度下饱和土渗透系数曲线
渗透系数的测定方法
渗透系数的测定方法主要分“实验室测定”和“野外现场测定“两大类。
1.实验室测定法
目前在实验室中测定渗透系数 k 的仪器种类和试验方法很多，但从试验原理上大体可分为”常水头法“和变水头法两种。
常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。 如图：
试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并备态者自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间 t 内流经试样的水量V，则
V = Q*t = ν*A*t
根据达西定律，v = k*i，则
V = k*（△h/L）*A*t
从而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水头试验适用于测定透水性大的沙性土的渗透参数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。闭庆
变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，其装置如图：水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差△h1，经时间 t 后，再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系仿薯数 k 的表达式。
设试验过程中任意时刻 t 作用于两段的水头差为△h，经过时间dt后，管中水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为
dVe = －a dh
式中 a 为玻璃管断面积；右端的负号表示水量随△h的减少而增加。
根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——试样断面积；L——试样长度。
根据水流连续原理， 应有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用对数表示，则上式可写为
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外现场测定法
渗水试验(infiltration test)一般采用试坑渗水试验，是野外测定包气带松散层和岩层渗透系数的简易方法。试坑渗水试验常采用的是试坑法、单环法、和双环法。 是试坑底嵌入两个铁环，增加一个内环，形成同心环，外环直径可取0.5米, 内环直径可取0.25米。试验时往铁环内注水，用马利奥特瓶控制外环和内环的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根据内环取的的资料按上述方法确定松散层、岩层的渗透系数值。由于内环中的水只产生垂直方向的渗入，排除了侧向渗流带的误差，因此，比试坑法和单环法精确度高。内外环之间渗入的水，主要是侧向散流及毛细管吸收，内环则是松散层和岩层在垂直方向的实际渗透。
当渗水试验进行到渗入水量趋于稳定时，可按下式精确计算渗透系数（考虑了毛细压力的附加影响）：K(渗透系数)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----稳定的渗入水量(立方厘米/分)；
F------试坑内环的渗水面积(平方厘米)；
Z-----试坑内环中的水厚度(厘米)；
H-----毛细管压力（一般等于岩土毛细上升高度的一半）(厘米)；
L-----试验结束时水的渗入深度（试验后开挖确定）(厘米)。
渗透系数的测定方法有哪些？
GB/T 1038-2000 塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法\x0d\x0aASTM D1434 测定塑料薄膜码租和薄片透气性能的测试方法\x0d\x0aISO 2556 塑料.在大气压力下薄膜和薄板的气体透过率的测定.测压法\x0d\x0aISO 15105-1 塑料.薄膜和薄板.气体传输率的测定.第1部分激桐压差法\x0d\x0aJIS K7126 塑料薄膜及薄板的透气性试验方法\x0d\x0aYBB00082003气体明模坦透过量测定法\x0d\x0aCNAS包装安全检测实验室兰光检测多种气体多种材质的渗透系数
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