張 林，張登飛，陳存禮，游子龍，孫佩娜

（1.西安理工大學 巖土工程研究所 陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西 西安 710048；2.西北大學 地質學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；3.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200120）

1 研究背景

非飽和土在降雨或灌溉條件下，都要涉及其增濕入滲問題，隨著室內(nèi)試驗測試技術的發(fā)展，對這一問題的研究不斷完善，在試驗手段上，土柱入滲試驗已經(jīng)得到廣泛認可，入滲過程及土水特性作為研究的兩個基本方面已經(jīng)有了長足發(fā)展。對于非飽和土土柱入滲過程及入滲規(guī)律研究，王文焰等[1]在Green-Ampt入滲模型基礎上，推導得出了適用于黃土區(qū)的積水入滲模型，該模型不僅可計算累積入滲量及濕潤鋒深度，而且還可估算出土壤水分剖面分布狀況；王春穎等[2]通過室內(nèi)層狀夾砂土柱一維薄層積水入滲試驗和相應情況下均質土柱的試驗，研究了夾砂層對入滲強度、濕潤鋒行進和沿程土壤含水率變化的影響；覃小華等[3]、張世斌等[4]研究了非飽和重塑黃土在不同降雨強度下的水分遷移特性；張禹揚等[5]通過數(shù)值方法模擬分析了灌溉水的入滲過程。在非飽和土土水特性規(guī)律研究與應用方面，葉為民[6]根據(jù)各土樣吸力與飽和度的關系，描述了上海地區(qū)粉質黏土土水特征；C.W.W.Ng等[7]研究了干濕循環(huán)下不同壓力對淤泥質土的土水特性影響；胡海軍等[8]對持水曲線進行了測試并應用VG模型和Brooks-Corey模型進行了擬合，另外為應用兩個模型間接獲得非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，還測試了飽和滲透系數(shù)；李萍等[9]、王紅等[10]采用張力計法測定原狀土樣的土-水特征曲線，預測了黃土的滲透性；張欽喜等[11]將土水特征曲線應用到數(shù)值模擬軟件中；林鴻州等[12]將土水特征曲線應用于滑坡預測中。從以上研究發(fā)展可知，通常通過試驗可以獲得入滲過程中有用的試驗參數(shù)，在此基礎上獲得非飽和的入滲規(guī)律，提出用于解決實際工程問題的數(shù)學模型，為數(shù)值計算提供可靠依據(jù)。以上土柱入滲方面研究已經(jīng)逐步完善，但極少考慮上覆壓力作用以及因此產(chǎn)生的變形問題，而實際工程應該考慮由力-水-土模式滲水產(chǎn)生的危害，例如，天然斜坡土體通常承受一定的應力作用，在雨水入滲過程中水力耦合作用使土體產(chǎn)生變形，進而引起滲透特性的變化，土壩在自重應力作用下滲水產(chǎn)生潰壩危害，路基表面因積水導致基層含水量增大，進而在荷載作用下產(chǎn)生翻漿和裂縫等問題。研究這些問題的前提是弄清在滲水條件下考慮豎向壓力影響的土體內(nèi)水分入滲規(guī)律。

非飽和黃土的力學特性具有顯著的水敏性，含水率增加會導致其強度降低和變形增加[13]，進而影響土體土水特性的變化，這是造成許多黃土地區(qū)工程問題的主要原因。實際工程中水在入滲時往往存在上覆壓力，這一因素對具有水敏性，結構疏松，壓縮濕陷性強的非飽和黃土影響很大?；谝陨戏治?，本文以蘭州非飽和黃土為研究對象，在力-水-土模式下，利用土柱滲水試驗方法重點探討土體內(nèi)部水分遷移、變形問題及土水特性。在變形問題方面，與常規(guī)環(huán)刀試樣進行對比，探討了尺寸效應的影響。

2 試驗基本情況

2.1 試驗儀器試驗采用一維瞬時土柱滲透儀如圖1所示。該儀器系統(tǒng)由土柱筒、水分傳感器、張力計、馬氏瓶、豎向加壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，自動采集體積含水量、基質吸力、軸向變形量以及流量Q，豎向壓力由豎向加壓系統(tǒng)提供。

2.2 試驗土樣及試樣的制備試驗所用黃土土樣取自蘭州新區(qū)，取土深度為4～5 m，土質較均勻，無明顯的孔洞，土樣的基本物理性質指標見表1。由塑性指數(shù)小于10及顆粒組成分析可知，該黃土顆粒組成中黏粒含量較少，屬于典型的粉質黃土。

表1 黃土的物理性質指標

圖1 一維瞬時土柱滲透儀示意（單位：mm）

試驗土樣均為重塑土樣，將黃土碾碎后過1 mm孔徑的篩子，測定其含水率，用噴霧法控制其制樣含水率wo=8%，攪拌均勻后裝入塑料袋密封備用。在土柱試樣的制備中，為了使土柱試樣密實均勻，采用分層壓實，每層壓實高度50 mm。壓實過程中采用體積變形控制，根據(jù)土柱外壁膠帶黏貼的刻度清晰的卷尺，利用氣壓緩慢施加軸向力，直到軸向高度達到壓實位置即停止。每層壓實完后對壓實面打毛，再進行下一層壓實，最終制成高350 mm，直徑150 mm的圓柱狀土柱試樣。試驗前對土壤水分傳感器進行標定：配置不同含水率的土樣，用傳感器測量出體積含水率，找出量測值與實際值之間的關系，對數(shù)據(jù)進行校核。在土柱試驗中，水分計插入土柱時，為防止土樣擾動，避免土樣破壞及裂縫產(chǎn)生，安裝水分計探頭探針位置用鉆子預先成孔，孔徑略小于探頭直徑，使探頭與土樣接觸良好。水分計與有機玻璃管接觸位置進行密閉處理，防止水分流出，土柱樣安裝完成后需要用保鮮膜將上部密封，防止水分蒸發(fā)。

2.3 試驗方案為了研究側限固結壓力對非飽和黃土壓縮濕陷、入滲過程、土水特性的影響，進行了不同豎向應力下常水頭垂直土柱積水試驗。室內(nèi)制備干密度為1.35 g/cm3，含水率為8%的土柱試樣，施加豎向壓力為0（無應力狀態(tài)）、50、100、200、300 kPa，共計5個土柱試樣。對常水頭滲水試驗，調整馬氏瓶高度控制水頭高度，先迅速加水至設定水頭，然后保持水頭高度為50 mm，整個滲水過程固結壓力保持不變。無豎向應力作用時，試驗過程中由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄滲水時間、滲水流量、水分計和張力計測量值；有豎向應力作用時，試驗時首先通過調節(jié)氣壓控制豎向加載裝置，提供不同豎向壓力，對土柱進行預固結，用位移計測量固結過程的壓縮變形，固結穩(wěn)定標準為位移計變化量0.01 mm/h，水分計和張力計數(shù)值基本保持不變。滲水時可以采集增濕濕陷變形量，當水分計與張力計基本穩(wěn)定，且流經(jīng)土柱的水量變化保持不變，即認為滲水試驗結束。滲水完成后，去掉保鮮膜，將豎向加載系統(tǒng)上移，取下土柱筒，卸下水分計、張力計，在土柱不同位置取環(huán)刀樣并測含水率，用于校正測量值。為了對比尺寸效應對該黃土壓縮濕陷的影響，同時進行了常規(guī)壓縮濕陷試驗，加載等級和壓縮穩(wěn)定標準與土柱試驗一致，常規(guī)壓縮土樣尺寸為高20 mm，截面面積為30 mm2的環(huán)刀試樣。

3 試驗結果分析

3.1 豎向壓力下尺寸效應對壓縮濕陷特性的影響通過試驗得到土柱和常規(guī)壓縮時的e-lgp關系曲線（圖2）、浸水后的增濕濕陷系數(shù)δs與固結壓力p的關系曲線，如圖3所示。

圖2 e-lgp關系曲線

圖3 δs-p關系曲線

圖2中兩條壓縮曲線分別可以用兩段直線進行擬合，第一段為平緩段，表明土樣結構穩(wěn)定，未受到破壞；第二段為陡變段，表明土體內(nèi)顆粒開始滑移，結構開始破壞，孔隙重新排列組合，土樣逐漸壓密。經(jīng)對比，土柱壓縮性在試驗壓力下小于常規(guī)壓縮，這是由于土柱試樣徑高比小于常規(guī)試樣，壓縮范圍大，整體壓縮性差。用經(jīng)驗作圖法找出該土的結構強度pc=80 kPa，當作用壓力未超過pc時，土的壓縮性很小，一旦壓力超過pc，土的結構破壞，壓縮性急劇增大，兩種試樣尺寸壓縮時結構強度相同。以上分析表明對于該土樣尺寸效應對土樣的壓縮性有影響但不影響其結構強度。

在豎向壓力作用下土樣變形穩(wěn)定后，浸水產(chǎn)生濕陷，根據(jù)圖3，在標準壓力（200 kPa）作用下，δs=0.056，0.03＜δs＜0.07，由此可判斷該土為中等濕陷性[14]。濕陷系數(shù)為0.015所對應的壓力即為濕陷起始壓力，由圖知，該黃土的濕陷起始壓力小于40 kPa，表明具有較強的水敏性。經(jīng)比較，在試驗壓力下土柱同常規(guī)壓縮濕陷性皆先增大后趨于平緩，未出現(xiàn)下降段，且土柱濕陷系數(shù)始終大于常規(guī)試驗，這是因為土柱在增濕過程中隨著壓力增大，整體受力逐漸均勻，壓縮濕陷性增大到一定程度趨于平緩，而徑高比較大的環(huán)刀試樣受力均勻，濕陷范圍小。從圖中也可以看出，尺寸效應對濕陷起始壓力影響不大。

3.2 豎向壓力對土柱滲水過程的影響通過試驗，得到土柱滲水過程中的浸潤峰（行進速率）、入滲量（入滲流速）時程線，分別如圖4、圖5所示。

圖4 浸潤峰深度及其行進速率時程線

圖5 入滲量及入滲速率時程線

分析圖4可知：（1）每條曲線都可以分為兩個階段。第一階段，由于浸水初期土柱吸力較大，水迅速進入土樣內(nèi)部，浸潤峰行進較快；第二階段，水滲入一段時間后，土柱上部逐漸達到暫態(tài)飽和，土柱的入滲能力被削弱，浸潤峰行進速率減慢，最終趨于穩(wěn)定。（2）是否施加豎向壓力對浸潤峰行進速率變化有明顯的影響，土柱增濕時浸潤峰的行進速率隨豎向壓力的增大而逐漸減小。這是因為豎向壓力下土顆粒之間孔隙減少，顆粒排列更加緊密，導致水的入滲阻力增大，水必須破壞一部分土顆粒才能繼續(xù)向下滲透。（3）不同豎向壓力對浸潤峰行進速率變化影響逐漸減小。這是因為土柱在較大的豎向壓力下增濕時，試樣孔隙比變化程度減小，此時不同豎向壓力下浸潤峰行進速率差異不大。

濕潤峰行進速率用下式表示：

式中：ΔH為濕潤峰深度變化值；ΔT為對應時間。

圖5中入滲流速與圖4浸潤峰行進速率規(guī)律性相似，但不同壓力間曲線有交叉，初始入滲速率隨著壓力的增大而減小，由于壓力與初始壓縮量的差異，在增濕過程中試樣在力水作用下入滲能力變化導致入滲速率曲線有交叉，且壓力越大入滲速率變化范圍越小。入滲流速公式為：

式中ΔQ為累計入滲變化量。

繪出浸潤峰到達土柱底部時對應的流量節(jié)點（圖5（a）），由圖知，在300 kPa壓力時所對應的入滲量小于其他豎向壓力下的，這是因為在300 kPa壓力下，土顆粒極易破壞，土樣濕陷性最大，進而使土樣密實，嚴重阻礙水的滲入，流量小的原因可能是土樣的毛細作用引起的浸潤峰先到達土柱底面。

從以上分析可知，水的入滲在無壓力條件下較有壓力條件容易，在實際防水工程中可以利用加載的方式增加土體的密實度，從而減緩甚至杜絕水的入滲，例如壩體路基等工程中經(jīng)常通過反復碾壓和施加較大上覆荷載來起到防水的作用。

3.3 豎向壓力對監(jiān)測點體積含水率的影響通過試驗，整理得到體積含水率θ與時間的關系曲線，如圖6所示。

圖6 浸水時豎向壓力對體積含水率時程線的影響

由圖知，不同豎向壓力下監(jiān)測點的體積含水率時程曲線具有如下規(guī)律：

（1）從傳感器所測土壤體積含水率可知，監(jiān)測點的最大體積含水率為40%左右，最小體積含水率為10%左右，曲線規(guī)律為平-陡-平，且施加豎向壓力與否對其規(guī)律有較大的影響，無壓力作用時，土壤體積含水率迅速陡變達到最大值，當有壓力作用時，體積含水率變化有明顯的過渡段。隨著壓力的增大，積水傳至不同傳感器的時間點，即監(jiān)測點體積含水率開始增長的時間節(jié)點增大，豎向壓力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測點體積含水率的變化。

（2）由圖6（a）可知，當無豎向壓力作用時，土樣內(nèi)土顆粒疏松，積水入滲較為容易，監(jiān)測點的坐標點最稀疏，監(jiān)測點體積含水率從開始增長至達到最大值所需時間最短；固結壓力為300 kPa時，土樣壓縮密實且濕陷性最大，積水入滲相對緩慢，有充足的時間向土柱下層入滲，監(jiān)測點的體積含水率在達到35%左右后增長緩慢，小于其他壓力下的增長速率。監(jiān)測點體積含水率增長方式隨固結壓力的增大呈規(guī)律性減緩。

（3）由圖6（b）可知，下監(jiān)測點的體積含水率時程曲線與上監(jiān)測點具有相同的變化規(guī)律，但同一壓力下體積含水率增長的過渡時間較上監(jiān)測點長，監(jiān)測點的坐標點較上監(jiān)測點更加密集。這是因為土柱上半部分已經(jīng)達到暫態(tài)飽和，水的入滲能力減弱。

（4）由圖6得到了不同豎向壓力下，積水傳至不同傳感器的時間點，即監(jiān)測點體積含水率開始增長的時間節(jié)點，并列于表2。由表2可知，當積水傳至同一傳感器時，豎向壓力越小所需時間越短；如上監(jiān)測點，豎向壓力為300 kPa需4860 s，無壓力時僅需1380 s。

表2 浸水過程中體積含水率開始變化的時間

3.4 豎向壓力對土柱土-水特性的影響由于試驗過程中土樣的干密度與孔隙比實時變化，因此本文整理試驗成果，得到上、下監(jiān)測點基質吸力ψ與飽和度Sr的關系曲線如圖7，用來表征土柱持水特性。

由圖7可知，上、下監(jiān)測點曲線均可分為三段描述，第一段為飽和段，此段飽和度趨于穩(wěn)定，基質吸力變化范圍較小?？紫端畡菽芘c自由水勢能接近，土樣吸力接近于0。有豎向壓力作用較無壓力作用進氣壓力值小，皆小于10 kPa，但規(guī)律性不明顯。第二段為過渡段，該段飽和度變化范圍較大，基質吸力變化范圍較小，由于試驗用土為粉質黃土，黏粒含量少，過渡段急促，此時飽和度相對較高，孔隙水勢能與自由水勢能兩者之間的差值相對較小，相應的土體吸力較低，毛細冷凝作用成為主導性的吸附作用，隨著豎向壓力的增大過渡段范圍減小。第三段為殘留段，此時為增濕至傳感器初期，飽和度變化范圍很小，基質吸力變化范圍較大，這是由于飽和度相對較低時，孔隙水勢能較自由水勢能更低一些，對應的土體吸力高，且土樣初始含水率為8%左右，相對濕度遠遠小于毛細冷凝作用的臨界值，高吸力在短程吸附作用下吸附更多的孔隙水導致吸力驟然下降。隨著壓力的增大，殘留區(qū)減小，殘余飽和度增大。殘留區(qū)與過渡區(qū)的轉折點所對應的飽和度為殘余飽和度，此飽和段內(nèi)固-液交界面短程的吸附作用，此后孔隙水主要受毛細作用影響。過渡區(qū)與飽和區(qū)的轉折點所對應的壓力值為進氣壓力值。當曲線達到進氣壓力值時，毛細作用引起的氣-水交界面吸力開始消失，土體系統(tǒng)接近飽和。由以上分析可知，壓力作用對持水特性的三個階段均有影響。

圖7 浸水時豎向壓力對土-水特征曲線的影響

將增濕前后上下監(jiān)測點校正后的飽和度列于表3。無壓力作用時，浸水前后上下監(jiān)測點飽和度皆相等，說明制樣均勻；由于試樣下部不僅受壓力作用還有上部土的附加應力，浸水前后下監(jiān)測點飽和度皆大于上監(jiān)測點；壓力作用時飽和度皆大于無應力作用，且隨著試驗壓力增大飽和度逐步增大。由實測飽和度知，非飽和土入滲過程中由于殘余含氣量的存在，土體并未達到完全飽和，與馬田田等[15]研究結果一致。

表3 浸水前后飽和度對比

在應用非飽和土土-水特征曲線時，只有把試驗散點變成連續(xù)的函數(shù)，才能將土-水特征曲線應用到相應的計算中，試驗所得參數(shù)可以為壓力作用下數(shù)值計算做理論基礎，為蘭州新區(qū)工程建設提供參考依據(jù)。下面用經(jīng)典Van Genuchten[16]模型對試驗結果進行擬合。擬合結果見圖7，可以看出用該模型擬合效果較好，擬合參數(shù)見表4。

van Genuchten方程為：

式中：Sr為飽和度；Srs、Srr分別為飽和、殘余飽和度；Ψ為基質吸力；a為與進氣值有關的參數(shù)；b為當基質吸力大于進氣值后與土體脫水速率有關的參數(shù)；c為與殘余含水率有關的參數(shù)。

4 結論

（1）土柱壓縮性、濕陷性在試驗壓力下與常規(guī)試驗皆有差異；尺寸效應不影響試驗黃土結構強度，對其濕陷起始壓力影響不大。

（2）土柱滲水初期，浸潤峰行進較快，而隨著浸濕上部逐漸達到暫態(tài)飽和，浸潤峰行進速率減緩；是否施加豎向壓力對土柱浸潤峰行進速率和入滲速率變化有明顯的影響，非飽和黃土增濕時浸潤峰的前行速率隨豎向壓力的增大而逐漸減小，隨著豎向壓力的增大，其差異性減?。辉谠鰸襁^程中，試樣在力與水作用下入滲能力變化導致入滲速率曲線有交叉，且豎向壓力越大入滲速率變化范圍越小。

（3）豎向壓力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測點體積含水率的變化；監(jiān)測點體積含水率增長方式隨豎向壓力的增大呈規(guī)律性減緩；豎向壓力越小，水分傳至同一傳感器時所需時間越短。

表4 VG模型擬合參數(shù)

（4）豎向壓力作用對土水特征曲線的飽和段、過渡段和殘余段均有影響；在Sr-Ψ坐標系中，無壓力作用時，浸水前后下監(jiān)測點飽和度皆大于上監(jiān)測點；壓力作用下土柱飽和度較無壓力作用時大，且隨著試驗壓力增大飽和度逐步增大；當基質吸力趨于0時，土樣未達到完全飽和；用經(jīng)典Van Genuchten模型對不同固結壓力下的土-水特征曲線進行擬合，得到其擬合參數(shù)，以供工程設計使用。