土壤水分特征曲線測定實驗

1、土壤水分特征曲線測定實驗實驗原理張力計插入土樣后,張力計中的純自由水經(jīng)過陶土壁與土壤水建立了水力聯(lián) 系。在非飽和土壤中,儀器中的自由水的勢值總是高于土壤水的勢值,因 此,儀器中的自由水就會透過陶土管進入土壤,但因陶土材料孔隙細(xì)小,孔 隙中形成的水膜不能使空氣通過,而只能讓水或溶質(zhì)液通過（但如果壓力過 高水膜破裂,空氣就會透過,這時的壓力稱為透氣值）,因而在儀器內(nèi)形成 一定的真空度,由儀器上的負(fù)壓表讀出。最后當(dāng)儀器內(nèi)外的勢值趨于平衡 時，儀器中水的總水勢 wd與土壤中土水勢 ws應(yīng)該相等，即：wd=ws土水勢的完整表述為：二m+P+S+g+T因為陶土管為多孔透水材料,并非半透膜,故溶質(zhì)也能通過,

2、最后達到內(nèi)外溶液濃度相等，內(nèi)外溶質(zhì)勢 S相等。儀器內(nèi)外溫度相等，溫度勢 等。坐標(biāo) 0 點選在陶土頭中心,貝陶土頭中心的內(nèi)外重力勢 儀器中和土壤中的總勢平衡可表述為： T 相g相等。這樣md+pd=msps式中，ps為土壤水的壓力勢， ms為土壤水的基質(zhì)勢, 由水的壓力勢，md為儀器內(nèi)自由水的基質(zhì)勢。 Pd 為儀器內(nèi)自在非飽和土壤中,土壤水所受的壓力為大氣壓（基準(zhǔn)狀態(tài)）,故 零，又儀器中自由水無基質(zhì)勢存在，故 md亦為零，所以: ps 應(yīng)為 ms= O Pd=A PD+z式中，A PD為負(fù)壓表顯示的負(fù)壓值（小于 0）, z為埋藏在土中的陶土管中 心與土面以上負(fù)壓表之間的靜水壓力即水柱高,（向上為

3、正,大于0）。即可得到土壤水的基質(zhì)勢。按定義土壤水吸力為基質(zhì)勢的負(fù)值,因而即可測得 吸力值。S=- ms=-A PD z如果負(fù)壓表讀數(shù)記為 P （大于0,即P= A PD），貝y S=F z另外，在計算土樣中水分的變化時，還應(yīng)考慮集氣管中水分的變化量。實驗內(nèi)容與設(shè)計1. 土樣：粘土、砂壤土2. 容重： 1.3g/cm3 、 1.4g/cm3 3. 方式： 脫濕:配置飽和土樣，在室內(nèi)自然蒸發(fā)，測定整個過程中土壤含水率與吸力 關(guān)系曲線。單點：用 16 個土樣，分別配置指定含水率，測定該含水率下的吸力值，連成特征曲線。實驗步驟與要求1）1. 計算給定初始值如下表格，計算裝滿試樣罐需要的土樣質(zhì)量（g）

4、:2） 配置土樣到預(yù)期體積含水量0 V，計算所需水的質(zhì)量:項目干容重罐體積初始質(zhì)量含水率表達式Y(jié)CV0g單位g/cm3cm3%數(shù)值待定待定待定2. 土樣的裝填先在試樣罐底部鋪上一層普通濾紙，然后將稱好的土樣分次分層地裝入罐中，一般分為6層裝填，每次裝入 1/6 總質(zhì)量的土樣，鋪平后用直徑比試樣罐稍小的擊錘夯實土樣，夯實 的遍數(shù)以能達到要求的密度為準(zhǔn)（每次將裝入的土夯實到 1/6 土柱高度）。應(yīng)該注意周邊 土壤的夯實 （ 常不能夯實，故除了擊錘夯實外，還用棍棒進行搗實。每層土樣之間要進行“打毛”，保證層間結(jié)合良好。填裝完畢后，刮平土壤表面，蓋上罐蓋，稱重，準(zhǔn)確求得 實際罐中土樣的質(zhì)量 Mg。3.

5、 安裝張力計 在試樣罐的中心先用小土鉆鉆一土孔，孔徑略小于陶土頭直徑。然后稱重，準(zhǔn)確求得罐中 最后土樣的質(zhì)量 Mt。然后將張力計插入，使陶土頭與土樣緊密結(jié)合。稱重求得系統(tǒng)總的 質(zhì)量 M1。4. 配置預(yù)期含水量 1）單點 將預(yù)先求得的水量， 2/3 倒入盛水容器中，將系統(tǒng)放入其中，再將水量的 1/3 從系統(tǒng)上部慢慢灌入試樣罐，然后將罐口用膠布封閉，靜置系統(tǒng)，讓其慢慢吸水、滲水、均勻。2）脫濕 將系統(tǒng)至于盛水容器中，容器的中的水面盡量接近土罐上沿（確保不能漫過土罐），讓其慢慢吸水、均勻，靜置 1 天，土樣基本可達到飽和。5. 觀測讀數(shù)、稱量與燒干法測量含水率1）單點：一天后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定，觀測負(fù)壓

6、表讀數(shù)，并將讀數(shù)單位轉(zhuǎn)換為cm水柱高度。稱量系統(tǒng)總重M2計算出此時土樣的含水率。再用烘干法與燒干法（可選）測定水分含 量進行校驗2） 脫濕：將飽和后的系統(tǒng)拿出，擦干土罐表面，稱重，計算出飽和含水率，然 后將罐蓋打開，放在系統(tǒng)置放槽上，每天讀一次數(shù)據(jù)。直到負(fù)壓表的讀數(shù)接近最大量程。6. 清洗實驗儀器 清洗實驗過程中使用的儀器，并將土樣罐中的土樣取出，放于指定位置。數(shù)據(jù)記錄表（見附件） 土壤水分特征曲線繪制與分析、 脫濕（砂壤土的數(shù)據(jù)選用 2 號罐，粘性土的數(shù)據(jù)選用 8號罐）* *71 4 t 卜從上圖可以看出粘土的進氣值比砂土要大，在含水率減小時，粘土吸力值增 加很快。相比而言，砂土透水性比較高

7、，因此吸收一耗散水分比較快，脫濕 相對比較容易（外界需要提供的能量低），因此在含水率稍微降低的情況下 粘土的吸力變化更為明顯。二、單點一非二fCrMiLCr gLi，阿單點的數(shù)據(jù)整體趨勢與脫濕實驗相同，但是數(shù)據(jù)點跳動比較大，每組的實驗 過程可能有微小差別，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散程度比較大（在下面單點與脫濕對比中 可以看出）三、砂壤土的單點與脫濕實驗數(shù)據(jù)對比砂土的透水性比較好，因此二者的數(shù)據(jù)相差不大，在含水率較低時二者出現(xiàn) 偏差，在相同低含水率條件下，脫濕實驗測得的吸力值較小，我認(rèn)為主要原 因是單點實驗中土的含水率分布不均勻，導(dǎo)致局部含水率比整體平均含水率 小，因而吸力值偏大；相比而言脫濕實驗蒸發(fā)緩慢，含

8、水率分布較為均勻。四、粘土的單點與脫濕實驗數(shù)據(jù)對比從上圖可以看出，粘土的脫濕實驗與單點實驗數(shù)據(jù)對比比較大，主要原因還 是粘土的透水性差，排水不暢，直接導(dǎo)致進行單點實驗時在整體低含水率情 況下吸力值偏大，有滯后現(xiàn)象。土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)擬合S = Ax f、砂壤土脫濕過程擬合采用Excel自帶的趨勢線分析，設(shè)擬合公式為 島上缶0，對于2#結(jié)果是：I （Lbf Z （S單位為cbar），其中卍蘭業(yè)勺檔。擬合效果較好。如果采A =A 壬用來擬合，結(jié)果為八"，其中 e °恥，盡管擬合相關(guān)度更高，但是擬合式比較復(fù)雜，不建議使用后者。對于1#罐，擬合結(jié)果為 40皿4打宀 3），可以看出

9、1#罐和2#罐擬 合公式相差不大（這兩個土樣均為砂土，容重相等）對于3#罐，容重為1.3，擬合結(jié)果為$手47的廿”貞、抽丁1豈。對比這三 個土樣，可以看出容重只影響擬合關(guān)系式前面的系數(shù)，對于指數(shù)項基本無影響， 也就是對曲線基本形狀無影響。二、粘土脫濕過程擬合采用Excel自帶的趨勢線分析，設(shè)擬合公式為D，結(jié)果是：創(chuàng) E（S單位為cbar），其中k'uM，擬合效果很差，即使采用 線性擬合，用蘭0例27，因此考慮換用其他經(jīng)驗公式。考慮使用經(jīng)驗擬合公式 曠，初始飽和含水率為 0.3954，采用3維擬g HIM件-日5合，得到擬合結(jié)果為 嚴(yán) ，其中宀0 9小，效果還可以。對 比1#罐的擬合結(jié)果

10、，三個待求參數(shù)相差比較大。冋題和思考實驗誤差分析1.脫濕實驗 脫濕實驗總共兩種土樣，每種土樣 4個土罐，我們組負(fù)責(zé)的是 2#罐，數(shù)據(jù)與1#罐相差不大，二者進行經(jīng)驗公式擬合后指數(shù)項完全一致，系數(shù)項相差很小，但是3#罐數(shù)據(jù)誤差很大，4#罐開始后不到幾天就因為張力計沒插好，最 后報廢了。在拆土罐時，3#罐的張力計很輕松就拔出來了，罐內(nèi)的土樣與罐 壁也直接分離。因此最終能用的數(shù)據(jù)僅有 1、2號罐。在整個脫濕實驗中，產(chǎn)生誤差最大的環(huán)節(jié)在于儀器組裝，張力計的微小偏離 可能導(dǎo)致陶土頭與土樣接觸不是很好，或者是陶土頭直接與外界大氣聯(lián)通， 這樣產(chǎn)生的誤差一般比較大。另外一個誤差在于裝填土樣過程中的鑿毛，有 的土罐鑿毛處理不是很好，在拆土罐時土樣分層脫落，在罐壁上可以看見很 明顯的分層，這樣的話在連接面處土樣性質(zhì)（主要是孔隙比）會產(chǎn)生突變， 從而導(dǎo)致飽和含水率分布不均勻。2.單點試驗實驗改進意見（僅針對脫濕實驗）這次脫濕實驗做的時間比較長，負(fù)壓表讀數(shù)下降很慢，僅僅從時間上考慮，可以 采用多種方式加快水分蒸發(fā)，比如吹風(fēng)、加熱（加熱溫度不能太高，避免蒸發(fā)不