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【摘 要】 工程实践中遇到的土体，绝大部分为非饱和土，其性状并不符合经典饱和土力学的原理与概念。本文在学习总结前人的研究成果之上，对影响非饱和土渗透性质的因素进行了浅述。
【关键词】 非饱和土;驱动势能;饱和度;渗透系数
1、概述
土力学是将工程力学同土的性质结合起来的一门科学。这种表达是广义的，可以涵盖各种不同类别的土。土可以是饱和的，孔隙中充满水，也可以是孔隙中还有它种流体（如空气）。经典土力学在其发展过程中将重点放到某几种土上，即饱和的砂、粉土和粘土以及干砂。然而，人们愈来愈认识到，必须将注意力放到更广、更多种类的土上。以某特种土及其有关问题作为主题的学术会议日益增多，便是这一认识的反映。
工程实践中可以遇到多种土，其性状并不符合经典饱和土力学的原理与概念。工程上难处理的土，通常都是由于存在不只两相所造成。性状与经典饱和土力学不一致的土，绝大部分是非饱和土。土力学的研究领域可以分为以饱和土为对象和以非饱和土为对象的两大部分。残积土近年来特别受到重视，这也是团为土中存在负的孔隙水压力而使它具有不同于一般的性状。曾经试图对残积土应用饱和土土力学的设计原理，但不成功。
通常定义非饱和土具有三相，即：固体、水、空气。更确切地说，非饱和土中还有第四相存在，亦即水、气的分界面或所谓收缩膜（Fredlund和MorBenstem，1977）。空气的存在，即使很少量，也会使土成为非饱和土。以气泡形式存在的少星空气会使孔隙中的流体成为可压缩的。通常情况是，较大量的空气在土中形成连续的气相，这时孔隙气压力和孔隙水压力开始出现显著差别，从而使经典饱和土土力学的原理和概念不再适用。
2、非饱和土中的水
非饱和土内的两相（即水和空气）可以合称为流体。流体流动分析需要一个定律，用适当的系数将流速和驱动势能联系起来。在饱和度相当高时，非饱和土中的空气可能处于封闭状态;而在低饱和度时，气相主要是连续的。流动定律的形式对这些情况可能是不同的。此外，还可能有空气通过液相而移动的情况，即空气通过过孔隙水扩散。
引起空气和水流动或扩散的驱动势能的知识对于了解流动机理是必需的。液相的驱动势能用水头表示。水的流动是由水力梯度所引发，而水头则由位置水头和压力水头组成。扩散过程通常认为是在化学浓度梯度或热力梯皮下产生的。水也可以在电力梯皮下流动（Casagrande，1952）。
多种概念曾被用于阐述非饱和土中水的流动。例如，含水量梯度、基质吸力梯度或水力梯度都曾被认为是驱动势能。但是，重要的是采用一种基本的、能控制水流动定律的形式。
有时也曾用含水量梯皮描述非饱和土中水的流动。它假设水从高含水量的点沉向低含水量的点。但是，这种流动定律并不是基本的，因为如考虑涉及土的类型的不同、滞后效应及应力历史的不同，则水也可能从低含水量区流向高含水量区。所以，含水量梯度不能作为水流动的基本驱动势能（PredtuRd，1981）。
在非饱和土中，基质吸力梯度有时被认为是水流动的驱动势能。但是，水的流动并不是基本的和唯一的取决于基质吸力梯度。
3、非饱和土的Darcy定律
饱和土中水的流动通常用Darcy定律来表达。Darcy水力梯度成正比：
（1）
vw——水的流速;
kw——水的渗透系数：
——y方向的水力梯度，可以写成iwy。
水的流速与水力梯度间的比例系数称为渗透系数它接近于常数。式（1）也可以对x及z方向列出。
Darcy定律也適用于非饱和土中水的流动[1]。但是，在非饱和土中的渗透系数一般不能假定为常数。相反，渗透系数是变数，主要是非饱和土含水量或基质吸力的函数。
可以没想水仅通过水占有的孔隙空间流动。空气所占有的孔隙对水的流动来说是非传导性的流槽。所以，非饱和土中空气占有孔隙的性状可视为与固相相似，土可以处理为一种减小含水量的饱和土一样（childs，1969）。从而非饱和土中Darcy定律的适用性可以像饱和土中一样得到论证。但是，当水力梯度变化时，水的体积（或含水量）应该是常数。
前人曾进行过论证Darcy定律对非饱和土适用性的试验，其成果列于图1中（childs和collis-George，1950）。成果表明，在一特定含水量下，对于作用于非饱和土上的不同水力梯度（即此时仅变化重力头），渗透系数kw是常数。换句话说，通过非饱和土的水流速增水力梯度呈线性比例关系，而渗透系数是一常数，这与饱和土中的情况相同。这证明Darcy定律，即式（1）也适用于非饱和土。但是，在非饱和土中，渗透系数的大小将随不同体积含水量有所不同，如图1中所示。
图1 水力梯度与体积含水量关系图
4、饱和度变化对渗透系数的影响
非饱和土的渗透系数在非稳定过渡过程中，由于体积—质量性质的变化而有显著变化。非饱和土的孔隙比变化可能很小，它对渗透系数的影响可能是次要的。但是，饱和度变化的影响则是十分重大的。因而常常将渗透系数表达为饱和度S或体积含水量θw的单—函数。
饱和度或含水量变化而引起的基质吸力的变化，要比由净法向应力变化所引起的大得多。饱和度通常被表述为基质吸力的函数。其相互关系称为基质吸力与饱和度关系曲线（图2）。
图2 饱和度与基质吸力关系图
不管在哪种悄况下，土孔隙尺寸分布是预测渗透系数的基础。孔隙尺寸分布的概念在岩土工程中还是比较新的。而在其他学科中则曾被用于合理地预测土的渗透特性。
首先讨论用基质吸力与饱和度关系曲线预测渗透系数，然后讨论用土—水特征曲线进行渗透预测。
Burdine（1952）、Brooks和corey（1964）曾建议过由基质吸力与饱和度关系曲线得出渗透系数函数。基质吸力与饱和度的关系曲线是有滞回环的。仅将排水曲线用于他们的推导中。此外还假定土的骨架是不可压缩的。
从基质吸力与饱和度的关系曲线上可以确定三个土的参数。这就是土的进气值（Ua一Uw）b、剩余饱和度Sr及孔隙尺寸分布指标λ。如饱和状态用有效饱和度Se表达，则这几个参数就易于具体化了（corey，1954），图3。
（2）
式中：Se——有效饱和度;
Sr——剩余饱和度。
剩余饱和度久定义为这样一个饱和度，此时基质吸力的增加并不引起饱和度的显著变化。用于式（2）中的所有饱和度变量的值均以小数计。
有效饱和度用剩余饱和度作第一次估算值而计算出来。然后将有效饱和度对基质吸力作图。通过这些点可以绘出水平线及斜线。但是，高基质吸力值的这些点并不落在用剩余饱和度估算的直线上。所以，最高基质吸力的点必需用一新的2T值估算而将它置于直线上。然后第二次估算的剩余饱和度信用于重新计算有效饱和度，从而得到一条新的基质吸力与有效饱和度的关系曲线。重复以上步骤直到所有在斜线上的点构成一条直线。一般在第二次估算剩余饱和度时就可达到这一目的。
图3 有效饱和度与基质吸力关系图
5、结语
总之，水在非饱和土中的渗透状态十分复杂，以上只是前人做的一些研究，并不能十分准确地描述非饱和土的渗透状态，非饱和土的渗透性质是一个非常值得研究的课题。
参考文献：
[1] Buckin9ham，1907：Richard，193I;ehtld5 collis—George，1950
【关键词】 非饱和土;驱动势能;饱和度;渗透系数
1、概述
土力学是将工程力学同土的性质结合起来的一门科学。这种表达是广义的，可以涵盖各种不同类别的土。土可以是饱和的，孔隙中充满水，也可以是孔隙中还有它种流体（如空气）。经典土力学在其发展过程中将重点放到某几种土上，即饱和的砂、粉土和粘土以及干砂。然而，人们愈来愈认识到，必须将注意力放到更广、更多种类的土上。以某特种土及其有关问题作为主题的学术会议日益增多，便是这一认识的反映。
工程实践中可以遇到多种土，其性状并不符合经典饱和土力学的原理与概念。工程上难处理的土，通常都是由于存在不只两相所造成。性状与经典饱和土力学不一致的土，绝大部分是非饱和土。土力学的研究领域可以分为以饱和土为对象和以非饱和土为对象的两大部分。残积土近年来特别受到重视，这也是团为土中存在负的孔隙水压力而使它具有不同于一般的性状。曾经试图对残积土应用饱和土土力学的设计原理，但不成功。
通常定义非饱和土具有三相，即：固体、水、空气。更确切地说，非饱和土中还有第四相存在，亦即水、气的分界面或所谓收缩膜（Fredlund和MorBenstem，1977）。空气的存在，即使很少量，也会使土成为非饱和土。以气泡形式存在的少星空气会使孔隙中的流体成为可压缩的。通常情况是，较大量的空气在土中形成连续的气相，这时孔隙气压力和孔隙水压力开始出现显著差别，从而使经典饱和土土力学的原理和概念不再适用。
2、非饱和土中的水
非饱和土内的两相（即水和空气）可以合称为流体。流体流动分析需要一个定律，用适当的系数将流速和驱动势能联系起来。在饱和度相当高时，非饱和土中的空气可能处于封闭状态;而在低饱和度时，气相主要是连续的。流动定律的形式对这些情况可能是不同的。此外，还可能有空气通过液相而移动的情况，即空气通过过孔隙水扩散。
引起空气和水流动或扩散的驱动势能的知识对于了解流动机理是必需的。液相的驱动势能用水头表示。水的流动是由水力梯度所引发，而水头则由位置水头和压力水头组成。扩散过程通常认为是在化学浓度梯度或热力梯皮下产生的。水也可以在电力梯皮下流动（Casagrande，1952）。
多种概念曾被用于阐述非饱和土中水的流动。例如，含水量梯度、基质吸力梯度或水力梯度都曾被认为是驱动势能。但是，重要的是采用一种基本的、能控制水流动定律的形式。
有时也曾用含水量梯皮描述非饱和土中水的流动。它假设水从高含水量的点沉向低含水量的点。但是，这种流动定律并不是基本的，因为如考虑涉及土的类型的不同、滞后效应及应力历史的不同，则水也可能从低含水量区流向高含水量区。所以，含水量梯度不能作为水流动的基本驱动势能（PredtuRd，1981）。
在非饱和土中，基质吸力梯度有时被认为是水流动的驱动势能。但是，水的流动并不是基本的和唯一的取决于基质吸力梯度。
3、非饱和土的Darcy定律
饱和土中水的流动通常用Darcy定律来表达。Darcy水力梯度成正比：
（1）
vw——水的流速;
kw——水的渗透系数：
——y方向的水力梯度，可以写成iwy。
水的流速与水力梯度间的比例系数称为渗透系数它接近于常数。式（1）也可以对x及z方向列出。
Darcy定律也適用于非饱和土中水的流动[1]。但是，在非饱和土中的渗透系数一般不能假定为常数。相反，渗透系数是变数，主要是非饱和土含水量或基质吸力的函数。
可以没想水仅通过水占有的孔隙空间流动。空气所占有的孔隙对水的流动来说是非传导性的流槽。所以，非饱和土中空气占有孔隙的性状可视为与固相相似，土可以处理为一种减小含水量的饱和土一样（childs，1969）。从而非饱和土中Darcy定律的适用性可以像饱和土中一样得到论证。但是，当水力梯度变化时，水的体积（或含水量）应该是常数。
前人曾进行过论证Darcy定律对非饱和土适用性的试验，其成果列于图1中（childs和collis-George，1950）。成果表明，在一特定含水量下，对于作用于非饱和土上的不同水力梯度（即此时仅变化重力头），渗透系数kw是常数。换句话说，通过非饱和土的水流速增水力梯度呈线性比例关系，而渗透系数是一常数，这与饱和土中的情况相同。这证明Darcy定律，即式（1）也适用于非饱和土。但是，在非饱和土中，渗透系数的大小将随不同体积含水量有所不同，如图1中所示。
图1 水力梯度与体积含水量关系图
4、饱和度变化对渗透系数的影响
非饱和土的渗透系数在非稳定过渡过程中，由于体积—质量性质的变化而有显著变化。非饱和土的孔隙比变化可能很小，它对渗透系数的影响可能是次要的。但是，饱和度变化的影响则是十分重大的。因而常常将渗透系数表达为饱和度S或体积含水量θw的单—函数。
饱和度或含水量变化而引起的基质吸力的变化，要比由净法向应力变化所引起的大得多。饱和度通常被表述为基质吸力的函数。其相互关系称为基质吸力与饱和度关系曲线（图2）。
图2 饱和度与基质吸力关系图
不管在哪种悄况下，土孔隙尺寸分布是预测渗透系数的基础。孔隙尺寸分布的概念在岩土工程中还是比较新的。而在其他学科中则曾被用于合理地预测土的渗透特性。
首先讨论用基质吸力与饱和度关系曲线预测渗透系数，然后讨论用土—水特征曲线进行渗透预测。
Burdine（1952）、Brooks和corey（1964）曾建议过由基质吸力与饱和度关系曲线得出渗透系数函数。基质吸力与饱和度的关系曲线是有滞回环的。仅将排水曲线用于他们的推导中。此外还假定土的骨架是不可压缩的。
从基质吸力与饱和度的关系曲线上可以确定三个土的参数。这就是土的进气值（Ua一Uw）b、剩余饱和度Sr及孔隙尺寸分布指标λ。如饱和状态用有效饱和度Se表达，则这几个参数就易于具体化了（corey，1954），图3。
（2）
式中：Se——有效饱和度;
Sr——剩余饱和度。
剩余饱和度久定义为这样一个饱和度，此时基质吸力的增加并不引起饱和度的显著变化。用于式（2）中的所有饱和度变量的值均以小数计。
有效饱和度用剩余饱和度作第一次估算值而计算出来。然后将有效饱和度对基质吸力作图。通过这些点可以绘出水平线及斜线。但是，高基质吸力值的这些点并不落在用剩余饱和度估算的直线上。所以，最高基质吸力的点必需用一新的2T值估算而将它置于直线上。然后第二次估算的剩余饱和度信用于重新计算有效饱和度，从而得到一条新的基质吸力与有效饱和度的关系曲线。重复以上步骤直到所有在斜线上的点构成一条直线。一般在第二次估算剩余饱和度时就可达到这一目的。
图3 有效饱和度与基质吸力关系图
5、结语
总之，水在非饱和土中的渗透状态十分复杂，以上只是前人做的一些研究，并不能十分准确地描述非饱和土的渗透状态，非饱和土的渗透性质是一个非常值得研究的课题。
参考文献：
[1] Buckin9ham，1907：Richard，193I;ehtld5 collis—George，1950