Mathematical models have become increasingly popular in both research and management problems involving flow and transport processes in the subsurface. Rosetta is a program to estimate unsaturated hydraulic properties from surrogate soil data such as soil texture data and bulk density. Models of this type are called pedotransfer functions (PTFs) as an alternative measurements since they translate basic soil data into hydraulic properties. These functions may be either measured directly or estimated indirectly through prediction from more easily measured data based using quasi-empirical models.
Pore network models are useful tools to investigate soil pore geometry. These models provide quantitative information of pore geometry from 3D images. This study presents a pore network model to quantify pore structure and hydraulic characteristics. The objectives of this work were to apply the pore network model to characterize pore structure from large images to quantify pore structure, calculate water retention and hydraulic conductivity properties from a three dimensional soil image, and to combine measured hydraulic properties from experiments with calculated hydraulic properties from image. Soil samples were taken from a site located at the Baltimore science center, which is located inside of the city. Undisturbed columns were taken from the site and scanned with a computer tomographer at resolutions of 22 ${\mu}m$. Pore networks were extracted by medial-axis transformation and were used to measure pore geometry from one of the scanned samples. Water retention and unsaturated hydraulic conductivity values were calculated from the soil image. Properties of soil bulk density, water retention and unsaturated hydraulic conductivity were measured from three replicates of scanned soil samples. 3D image analysis provided accurate detailed pore properties such as individual pore volumes, pore length, and tortuosity of all pores. These data made possible to calculate accurate estimations of water retention and hydraulic conductivity. Combination of the calculated and measured hydraulic properties gave more accurate information on pore sizes over wider range than measured or calculated data alone. We could conclude that the hydraulic property computed from soil images and laboratory measurements can describe a full structure of intra- and inter-aggregate pores in soil.
The procedure that combines the result of infiltration analysis into stability analysis based on the limit equilibrium method is widely used to evaluate the impact of rainfall infiltration on slope stability. Accurate prediction of rainfall infiltration is essential to the prediction of landslides caused by rainfall, requires to obtain accurate unsaturated hydraulic properties of the soil. Among the unsaturated hydraulic characteristics of the soil, the importance of the soil-water characteristic curve describing the retained water characteristics of the soil is relatively well known and the measurement by test method to obtain the SWCC is gradually increasing. However, it takes a lot of time and expenses to experimentally measure the unsaturated conductivity characteristics of the soil. Therefore, it is common practice to estimate the hydraulic conductivity function from the SWCC. Although it is widely known that the SWCC has a great influence on rainfall infiltration, studies on the effect of the hydraulic conductivity function estimated from the SWCC on rainfall infiltration are very limited. In this study, we explained how the estimation model of the hydraulic conductivity function affects rainfall infiltration and slope stability analysis. To this end, one-dimensional infiltration analysis and slope stability analysis were conducted by using the data on the SWCC of weathered granite soil widely distributed in Korea. The applicability of each estimation model is discussed through review of the analysis results.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.1D
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pp.83-90
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2011
A need still exists that the unsaturated condition is to be considered when evaluating the infiltration and drainage capacity for compacted geomaterials in road foundation or embankments. For this reason, numerical analysis were used to analyze the time-dependent unsaturated infiltration and drainage condition depending on various geomaterial types. Therefore, laboratory data from the soil-water characteristic curve tests on geomaterials were adopted from previous studies. In addition, the unsaturated permeability was estimated using SWCC. Then the infiltration and drainage performance of unsaturated compacted soils were evaluated under various conditions based on the proposed method. The results demonstrated that the effect of initial suction and SWCC path on each material could be substantial and the proper application on analysis is very important to enhance the prediction on each capacity.
The physical properties and unsaturated characteristics of acid sulfate soils were investigated and analyzed. As the results of measuring physical properties of the acid sulfate soils obtained around the Ilkwang mine area, the dry unit weight is $1.246t/m^3$ and this soil is classified into the silty sand (SM) by USCS. Soil Water Characteristics Curves (SWCC) of the drying and wetting paths were measured by the automated SWCC apparatus. Also, Hydraulic Conductivity Functions (HCF) of the drying and wetting paths were estimated by the van Geunchten (1980) model which is the most well-known parameter estimation method. The hydraulic conductivity of acid sulfate soils in the dry path was continuously decreased with increasing the matric suction. However, the hydraulic conductivity in the wetting path was decreased relatively small with increasing matric suction and decreased suddenly just before water entry value of matric suction. Meanwhile, the hysteresis phenomenon was occurred in SWCCs and HCFs during the drying and wetting paths.
Qian-Feng Gao;Mohamad Jrad;Mahdia Hattab;Said Taibi;Jean M. Fleureau
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.109-122
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2024
Standard triaxial cells are commonly used to measure the mechanical behavior of saturated soils. However, this type of standard system is difficult to use for unsaturated soil specimens since it cannot measure the changes in the pore-air volume and pressure. This paper proposes to extend the measurement possibilities of the standard triaxial testing device in a simple way and to adapt it to partially saturated soils. The system is supplied by two hygrometers installed at each end of the cylindrical unsaturated specimen to measure local relative humidity, which allows the derivation of suction. The volumetric strain of the specimen is calculated by analyzing digital photos captured from the outside of the transparent cell wall. Specimens made of kaolin clay, having different hydraulic properties, were tested to verify the reliability of the measurements, and thus, the relevance of the proposed techniques to study the mechanical behavior of unsaturated soils.
Seepage rate through the core zone of rockfill dam, estimated from graphical technique and the equation by Sakamoto (1998), is different from the real condition because of neglecting unsaturated flow. With existing method to estimate total seepage rate, it is difficult to understand the tendency of total seepage rate changes by reservoir water level change. Steady state seepage rate and the factors affecting the time needed to attain to changes of reservoir water level and saturated hydraulic conductivity and unsaturated hydraulic properties of core material are analysed thorough the 2-D steady and unsteady state seepage analyses of Soyanggang dam. Numerical results revealed that the seepage rate can be expressed by the linear equation form and the value of unsaturated soil parameter n is the most important factor affecting the seepage rate and the time needed to attain steady state. The estimation method presented in this study can be used by the designer and the personnel of dam safety for convenient estimation of seepage rate and quantitative analysis of measured seepage rate without 2-D and 3-D numerical analyses.
Ha, Jaechul;Lee, Jeong Hwan;Cheong, Jae-yeol;Jung, Haeryong
The Journal of Engineering Geology
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v.26
no.1
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pp.87-99
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2016
We present the results of two-dimensional numerical simulations predicting the flow of groundwater in a fractured unsaturated zone. We applied the k-field distribution of permeability derived from discrete fracture network (DFN) modeling as the hydraulic properties of a model domain. To model an unsaturated zone, we set the depth from the ground surface to the underground aquifer. The rate of water infiltration into the unsaturated zone was divided into two parts, an artificial structure surface and unsaturated soil zone. The movement of groundwater through the unsaturated zone was simulated with particular emphasis on contaminant transport. It was clearly observed that the contaminants dissolved in groundwater transported vertically from the ground surface to the saturated zone.
Oh, Yun-Yeong;Hamm, Se-Yeong;Chung, Sang Yong;Lee, Byeong Dae
Environmental Engineering Research
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v.18
no.3
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pp.129-137
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2013
The infiltration of rainwater into the surface soil is highly dependent on hydraulic variables, such as the infiltration rate, capillary fringe, moisture content, and unsaturated/saturated hydraulic conductivity. This study estimates the hydraulic conductivity (K) of fluvial deposits at three sites on the right and left banks of Nakdong River in Gyeongbuk Province, South Korea, including the Gumi, Waegwan, and Seongju bridge sites. The K values of 80 samples from 13 boreholes were estimated by using six grain-size methods (Hazen, Slichter, Kozeny, Beyer, Sauerbrei, and Pavchich formulae). The Beyer, Hazen, and Slichter methods showed a better relationship with K values along with an effective grain size than did the other three methods. The grain-size, pumping test, and slug test analyses resulted in different K values, but with similar K values in the grain-size analysis and pumping test. The lower K values of the slug test represent the uppermost fine sand layer.
We developed a mathematical simulation model to portray the vertical distribution of soil water from the measured weather data and the known soil hydraulic properties, and then compared simulation results with the periodically measured soil water profiles obtained on Jungdong sandy loam to verify the model, In this model, we solved potential-based Richards' equation by the implicit finite difference method superimposed on the predictor-corrector scheme. We presumed that: soil hydraulic properties are homogeneous; soil water flows isothermally; hysteresis is not considered; no vapor flows; no heat transfers into the soil profiles; and water added to soil surface is distributed along the soil profile following partial displacement principle. The input data were broadly classified into two groups: (1) daily weather data such as rainfall, maximum and minimum air temperatures, relative humidity and solar radiation and (2) soil hydraulic data to approximate unsaturated hydraulic conductivity and water retention. Each hydraulic polynomial function approximated using the Chebyshev polynomial and least square difference technique in tandem showed a fairly good fit of the given set of data. Vertical distribution of soil water as approximations to the Richards' equation subject to changing surface and phreatic boundaries was solved numerically during 53 days with a comparatively large time increment, and this pattern agreed well with field neutron scattering data, except for the surface 0.1 m slab.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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