非饱和土力学试验技术：水气运移规律

非饱和土孔隙中存在水、气两相，它们有各自的渗透流动规律。气相对水相的运动将会起到阻滞或推动作用，使得非饱和土中水相的运动规律要比饱和土中水相的渗流运动行为更加复杂。饱和土中水相的运动与土颗粒大小、矿物成分、孔径分布特征、温度及溶质浓度等因素有关，而非饱和土中水相的运动还与各种影响土水势的因素，如含水率、饱和度等有关。

根据饱和度的不同，土中气相和水相呈不同形态。如图2.1所示为非饱和土中水相与气相的3种不同形态，分别为水封闭状态[图2.1（a）]、双开敞状态[图2.1（b）]及气封闭状态[图2.1（c）]。

图2.1　非饱和土中水气状态（俞培基和陈愈炯，1965）(www.xing528.com)

当土含水率很小时，孔隙水主要以水蒸气和结合水的状态存在，或者吸附在土颗粒表面，被气体隔离封闭，这时可不考虑水相的流动，如图2.1（a）所示，这种情况称为水封闭状态。当土的饱和度比较高时，例如击实黏土含水率大于最优含水率（wopt）时，其饱和度Sr约为85%～90%，此时土的孔隙体积主要被水相所占据。气体呈气泡状，被液体所包围，可随液体一起流动，如图2.1（c）所示，称为气封闭状态。在高压力下气泡可被压缩和溶解于液体，使孔隙水饱和度进一步提高。在该情况下，一般可按饱和土的理论计算渗透和固结问题，只不过其渗透系数要比饱和土的小。

图2.1（b）表示气相和水相都是连通状态，两相均可能发生流动，称为双开敞体系，对于黏土，此状态对应的饱和度约为40%～90%；对于砂土，饱和度约为30%～80%，可见大多数非饱和土均处于该饱和度范围。这种情况下的渗流问题也是非饱和土渗透性的主要研究课题，一般分为气相流动和水相流动。在双开敞状态下，非饱和土中的水气运动相互影响，渗气系数与渗水系数也相应地存在着相互影响（刘奉银等，2010）。

流体在多孔介质中的流动分析需要用适当的系数将流速和驱动势能联系起来。Darcy定律可用于描述多孔介质中水相的流动，也可用来描述气相的流动。Fick定律通常用于描述气相的流动。陈正汉等（1993）指出，在气相流速较低且不计水相运动的影响时可以用Darcy定律来描述气相运动。王永胜等（1993）经过推导也证明了在温度变化范围不大的情况下Darcy定律与Fick定律基本吻合。

针对不同类型的非饱和土，需配合使用相对应的非饱和土渗透测试装置及技术。接下来将分别介绍水相和气相在非饱和土体中的流动规律及相应的测试技术。