保水曲線實驗

在本研究中根據van Genuchten (1980)模式，以本節中的砂箱排水實驗與壓力 鍋實驗測量得到該模式中的保水曲線參數θs、θr、α、n。其中，θs = 0.38、θr = 0.048、

α = 3.55 (1/m)以及 n = 3.45。

砂箱實驗系統的實驗簡圖如Fig. 3.12。一個長 30 cm，寬 20 cm，高 30 cm，及 厚度2 cm 的壓克力砂箱，內部填充一定高度之待測土樣。在砂箱底部向上 10 cm 處左右各有一開孔，可裝設含水量計以及張力計。砂箱底部的排水口以矽膠軟管連 接Mariotte’s bottle，並以定水頭高度進行排水。同時以含水量計與張力計量測土樣 在相同高度下的測值，並由Data logger (數據搜集器)記錄下每分鐘的含水量與張力 變化。得到該張力下的含水量結果。

Fig. 3.12 砂箱實驗系統

實驗步驟：

(1). 在壓克力砂箱內均勻的層層填入待測土樣，第一層 3 cm，第二、三、四 層皆5 cm，共 18 cm 高的土樣。每層皆以 1 kg 重之砝碼夯實。

(2). 將壓克力砂箱底部以矽膠軟管連接 Mariotte’s bottle。接著控制 Mariotte’s Data Logger

砂箱

含水量計 張力計

定水頭排水

Mariotte’s bottle

bottle 中的玻璃管高度略高於待測土樣的底部，待土樣底部充分濕潤後 再逐步提高Mariotte’s bottle 的高度，直至土樣完全飽和為止。此步驟之 目的為利用毛細原理使土樣能夠充分達到完全飽和的狀態。

(3). 土樣飽和後，降低 Mariotte’s bottle 的高度至適當的水頭高度，並開始進 行砂箱排水實驗。在排水實驗過程中，需等待此水頭高度下的Mariotte’s bottle 內不再繼續排出水後，才能降低至下一水頭高度。反覆此步驟直 至砂箱內部不再有水能夠排出為止。

(4). 由 Data logger 紀錄前一步驟中所調降之各水頭高度下的穩定含水量計與 張力計測值。得到該張力下之土樣的對應含水量。

壓力鍋實驗系統的實驗簡圖如Fig. 3.13。主體為一壓力鍋所組成，內部裝有透 水的多孔瓷板及裝於鐵環內的待測土樣。各鐵環底部皆黏有濾紙。壓力由空氣壓縮 機所提供，與壓力鍋相連接。實驗過程中以氣筏開關與壓力錶控制需要的壓力來進 行排水，即可得到該壓力下的土樣含水量。

Fig. 3.13 壓力鍋實驗系統(蔡義誌, 2008)

實驗步驟(蔡義誌, 2008)：

(1). 將多孔瓷板浸泡於水中一段時間以去除瓷板內的空氣。將飽和後的多孔 瓷板放入壓力鍋中，並連接壓力鍋中的排水管以利實驗加壓時的水分排 除。

(2). 將待測土樣填入與壓力鍋配套的鐵環之中，並將填滿土樣後的鐵環置於 水中的多孔瓷板上預濕。利用毛細原理使水分透過多孔瓷板上升以均勻 地濕潤土樣而達到自然飽和。

(3). 將飽和後的土樣壓克力環放入壓力鍋中。放置後將壓力鍋之蓋子蓋上並 鎖緊，確保氣體不會在實驗加壓過程中逸出。

(4). 開啟空氣壓縮機進行加壓，在空壓機進行運轉前先關閉連接壓力鍋之通 氣開關。啟動空壓機充氣加壓後，旋轉氣筏開關以控制壓力大小，並觀 察壓力錶待壓力達到所需後。打開通氣開關使加壓空氣進入壓力鍋開始 對土樣加壓，同時須注意壓力鍋是否有漏氣之情況。

(5). 本實驗中分別施做 0.54 bar、1.0 bar、1.5 bar、2.0 bar、2.5 bar、3.0 bar 以及3.5 bar 壓力時之水分含量。每一壓力平衡時間約 3 天，待土樣壓克 力環達恆重時關閉空壓機並取出秤其重量。實驗完成後再將土樣取出於 105℃之烘箱烘乾 24 小時候秤重。

(6). 在各壓力下除了土樣會吸收水分外，其鐵環底部之濾紙亦會吸收水分。

因此，實驗中需有未裝土樣之空白對照組，得到濾紙在不同壓力下的吸 水量。計算土樣含水量時，須扣除此濾紙的吸水量，才可得到該壓力下 之土樣的對應含水量。

將壓力轉換成張力值後，結合砂箱排水實驗與壓力鍋排水實驗之各張力下的

對應含水量後，即可代入 van Genuchten 保水曲線模式(3.1)式。計算得到 van Genuchten 保水曲線中的各參數值。本研究中之保水曲線參數 θs = 0.38、θr = 0.048、

α = 3.55 (1/m)以及 n = 3.45。

𝜃(𝜓) = 𝜃_𝑟+ 𝜃_𝑠− 𝜃_𝑟

[1 + (𝛼ℎ)^𝑛]^1−𝑛1 (3.1) 式中：

θ(𝜓) ：在特定壓力勢能(𝜓)下之體積水分含量[L³ L^-3]。

θs ：飽和體積水分含量[L³ L^-3]。

θr ：殘餘體積水分含量[L³ L^-3]。

α ：van Genuchten 之參數(L ^-1)。

n ：van Genuchten 之參數。

Fig. 3.14 保水曲線(van Genuchten 模式)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

1 10 100 1000 10000

含水量(cm3/cm3)

張力(cm)

實驗資料點

van Genuchten model