泾阳南塬Q3黄土吸湿特性试验研究

葛瑞华，谢婉丽，冯立,2

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069；2.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安　710054)

泾阳南塬Q3黄土吸湿特性试验研究

葛瑞华1，谢婉丽1，冯立1,2

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069；2.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安710054)

灌溉诱发非饱和黄土破坏的实际应力路径可近似为净法向应力和偏应力均不变，而基质吸力逐渐减小的吸湿破坏过程。为研究非饱和黄土在吸湿过程中的应变特性，以泾阳南塬Q3马兰黄土为研究对象，从非饱和土角度出发，开展了控制不同基质吸力下(初始含水率)的非饱和黄土的吸湿特性试验研究。研究表明，试样在持续稳定的主应力作用下，随着基质吸力的减小土样发生变形破坏，整个变形过程中没有破坏剪切面；进一步研究发现,土样从塑限含水率到液限含水率之间，土样对水的敏感性很强。即当含水率增大到塑限含水率之后，应变快速发展，其变形特性解释了该地区Q3黄土强的湿陷特性以及浅层滑坡和崩塌的频发的原因。最后，对于同一种土，其基质吸力与应变的变化关系曲线是类似的，曲线的差别可能是由于土样之间的差异及仪器的误差等因素造成的。

原状黄土；灌溉；非饱和土；基质吸力；应变

在引入农业灌溉满足耕地的同时，却因为灌溉改变了台塬灌区的自然地质环境条件，破坏了灌区土体内部的水土平衡及外部的生态条件，进而引发了滑坡、崩塌、土壤盐渍化、水土流失、土地沙化和地面沉陷等大量的难以解决的环境地质问题(张茂省等，2001；ZHANG D.等，2009；王家鼎等，2001)，这也是导致水利灌溉工程的效益降低和影响可持续发展灌区农业的直接原因。近些年来，随着泾阳南塬塬区灌溉面积的不断扩大和灌溉水量的增大，改变了本地区地下水文条件，打破了原有的土水平衡状态，致使在黄土台塬边缘诱发了一系列成群分布的黄土滑坡，给台塬灌区居民的生命财产安全带来了威胁，造成的后果非常严重。例如，1984年12月2日0时40分蒋刘大滑坡，发生前后缘即现明显裂缝，且裂缝突然加宽，有关部门也已预测到，但因组织不力未设立警戒线，村民思想麻痹，终至造成20人死亡，20人重伤的严重后果。由于农业灌溉而诱发的一系列地质灾害问题应该引起人们和相关工程地质部门的高度关注和重视。

鉴于灌溉诱发型黄土滑坡造成后果的严重性，目前，在灌溉水诱发黄土滑坡的研究方面，积累了很多经验及理论，从黄土的物理性质到力学性质，从黄土的湿陷性到水敏性(谢定义，2001)，从黄土的宏观力学行为到微观结构发展(王兰民，2003；张炜等，1991；沈珠江等，2003；胡再强等，2004；殷跃平等，2007)，从黄土的静力性质到动力特性(王兰民，2003；WU Z.H.等，1987)，从黄土的短时性质到长时流变效应研究等(罗汀等，1995；邓亚虹等，2015)，涉及了黄土性质及其特性的各个方面，为黄土的工程应用奠定了坚实基础。然而，在已开展的黄土性质及工程地质特征研究方面还存在研究不深入、不全面的问题。例如，很少有学者从非饱和土的角度出发，揭示灌溉作用下非饱和黄土的变形及强度特性。谷天峰等(2015)以甘肃黑方台典型黄土斜坡为例，在非饱和土特性试验基础上，通过饱和-非饱和渗流分析，研究了地下水位上升引起的黄土斜坡内部渗流场的变化特征，探讨了地下水位变化对斜坡稳定性的影响。冯卫等(2014)对降雨入渗情况下坡体内非饱和渗流场的变化进行了研究，探讨了不同降雨强度条件下滑坡体的稳定性变化情况。在灌溉诱发黄土滑坡机理方面，不少学者认为(雷祥义，1994；王家鼎等，2002；许领等，2008；董英等，2013；孙萍萍等，2013)，长期灌溉引起地下水位上升是诱发滑坡的根本原因，即由于不合理的地表水灌溉，改变了地下水文条件，导致地下水位上升，从而使土体内部的抗剪强度下降，造成黄土滑坡。那么土从非饱和状态到饱和状态这一过程中的应力是怎么变化的，应变是怎么发展的，这方面的研究文献中很少提及。

基于上述存在的科学问题，以泾阳南塬Q3马兰黄土为研究对象，从非饱和土角度入手，在首先获取土水特征曲线的基础上，开展了对比不同基质吸力下的非饱和黄土的吸湿特性试验，揭示了黄土在灌溉作用下土体含水状态变化过程中的应力应变变化规律，进而探讨了灌溉诱发型黄土滑坡的形成机理。

1　研究背景

泾阳南塬滑坡主要是第四系黄土滑坡，物质组成以中晚更新世的黄土为主(图1)，北部口镇村冶峪河沟口滑坡夹杂山前冲洪积物，是区内分布最广、数量最多、发生频次最高的滑坡类型。南塬东西长约27.1km，横跨太平、蒋刘、高庄三乡镇21个行政村，由于近现代泾河在区内不断向南侵蚀，在北部形成了宽阔的冲洪积平原，而在南部则直接与黄土台塬相接，某些地段坡脚遭受河水侵蚀、冲刷。另外，1971年宝鸡峡灌溉工程引渭上塬，沿塬边修建渠道和大水漫灌，从而改变了南塬原来的地下水动力平衡系统，促使了地下水位逐年上升，平均每年上升1.15m，在塬边形成地下水位异常梯度带，水力坡降达29.5%，最高可达46%。严重地改变了斜坡的稳定性，从而导致南塬成为典型的滑坡带。

本次研究区为南塬滑坡带东端高庄附近一大型黄土滑坡，其致滑因素正是灌溉，这一实际现状符合吸湿特性，所以研究吸湿条件下非饱和黄土的应力应变特性成为必然。野外调查可见，塬边黄土层结构疏松，垂直节理发育(图2)，黏结力小、透水性强，遇水易软化，普遍夹数层古土壤层，干时黏结力强，较密实抗剪强度较高，遇水浸润后，黏结力急剧下降，成软塑甚则流塑状，抗剪力下降，构成不同地段滑坡的滑动软弱面。

1.晚更新世黄土；2.中更新世黄土；3.早更新世黄土；4.耕植土；5.古土壤；6.第四纪滑坡堆积物；7.推测粉砂层；8.后缘裂缝；9.原始坡面线图1　滑坡剖面图Fig.1　The profile of landslide

(a)滑坡侧壁地层;　　　　　　　　　　　　　　　(b)滑坡后塬落水洞;　　　　　　　(c)侧壁垂直节理裂隙图2　研究区滑坡照片Fig.2　Photos of the Heiniwan Landslide

2　室内试验研究

2.1土水特征曲线

试验所用土样为原状土样，取自陕西泾阳南塬高庄镇附近滑坡体上。土样基本物性参数见表1。根据建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)中土的分类，塑性指数Ip为10～17，该黄土定名为粉质黏土。

土水特征曲线的获取采用美国科罗拉多矿业大学开发研制的瞬态脱湿与吸湿试验装置(TRIM)，可在5～8d内同时测量出脱湿和吸湿条件下的土水特征曲线、渗透系数函数(LU等，2006)。该部分实验是在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部黄土地质重点灾害实验室完成的。

笔者土水特征曲线选取目前常用的VAN Genuchten(1980)提出的土水特征曲线模型，其闭型方程为：

(1)

式中：θs为饱和体积含水率；θr为残余体积含水率；α为与进气值有关的参数；m为控制SWCC的土性参数，数值上等于(1-1/n)；而参数n为与孔径分布相关的参数。

有了上述的土-水特征曲线的闭型方程，根据Hydrus-1D反演的参数即可求得脱湿状态和吸湿状态下的基质吸力随体积含水率或有效饱和度的变化曲线，即土-水特征曲线(SWCC)(图3)。而笔者模拟灌溉水作用下的非饱和黄土的应力应变特性，其实际符合吸湿路径，故采用吸湿路径下获取的土水特征曲线作为后续试验的基础。

表1　原状黄土的物性指标表

图3　干湿条件下土水特征曲线对比图Fig.3　Comparison of the SWRC under wetting and drying conditions obtained for undisturbed loess

从图3可以看出，所获取的土水特征曲线在吸湿与脱湿路径下的单调性相同，但是差异很明显。同一体积含水率下，脱湿条件下的基质吸力大于吸湿条件下的基质吸力，孔隙水在吸湿路径中的能量低于在脱湿时的能量，这种差异体现了土-水作用的滞后效应，是由于土内弯曲的孔隙结构与土颗粒与水不同的作用形式导致的。

2.2非饱和土吸湿特性试验

依据上述吸湿路径下的土水特征曲线，获取不同基质吸力(10kPa、20kPa、50kPa、100kPa)下黄土试样的含水量作为吸湿特性试验的初始含水率，开展了不同基质吸力下的非饱和黄土的吸湿剪切试验，试验过程概述如下。

(1)控制土样的基质吸力在对应的含水率下作为剪切的初始条件，一般需要稳定2～7d左右；根据土水特征曲线获取对应基质吸力下的土样的含水率见表2所示。

(2)控制基质吸力条件下的偏压固结。根据取样深度确定其上覆自重压力，按该深度处黄土的静止侧压力系数经验值0.4进行各向异性固结。

(3)剪切。控制试样所受的净围压和净轴压不变，减少试样的基质吸力，使试样破坏。

特别值得一提的是：这个过程中，为了使基质吸力得到有效的测定与控制，需要减缓增湿的速度。利用体积压力控制器，以0.5kPa/h的速率向陶土板增加水压，这样在陶土板上下就会形成一个0.5kPa的压力差，试样在这个压力作用下吸水后，基质吸力不断的减少，试样抗剪强度逐渐减小，直至应变达到20%以上。

表2　不同基质吸力对应的含水率表

3　试验结果讨论

实践证明，在非饱和土中存在基质吸力(主要是毛细吸力)，基质吸力的存在，使得非饱和土中具有负的孔隙水压力，从而导致非饱和土的强度大于饱和土的强度。然而，基质吸力是一个变量，随含水率的不同有很大的差别，从而使得非饱和土在土体性质和工程性状上与饱和土存在着根本差异，其工程性质远比饱和土复杂。本部分试验在各向异性固结之后，维持σ1、σ3不变，以恒定的速率增加反压，减小土样的基质吸力，从而使试样发生变形破坏。试验结果表明，整个变形过程中并没有剪切面。

3.1应变与时间特性

取样深度为5m，故设计固结围压为100kPa，偏压固结压力为40kPa，进行了控制不同基质吸力的非饱和土吸湿剪切试验。实验结果应变随时间的变化曲线见图4。可以通过基质吸力为100kPa的实验曲线看出，应变随时间的变化规律可以归结为3个阶段：对数增长阶段AB、指数增长阶段BC以及突变阶段CD。基质吸力为50kPa、20kPa、10kPa的土样涵盖了部分指数增长阶段BC以及突变阶段CD。在AB阶段，曲线变化比较平缓，研究发现，曲线在塑性含水率附近开始过渡到指数增长阶段BC；伴随着基质吸力的进一步减小，在液限含水率附近进入突变阶段CD，这是很好理解的。

图4　不同基质吸力下应变随时间的变化曲线图(S为基质吸力)Fig.4　Strain versus time curve under different matric suction (S is matrix suction)

基质吸力为100kPa时土样的初始含水率为8.4%，而塑限含水率为13.68%。土样在初始阶段，随着含水率的增大，土样实际上是一个逐渐压密的过程，应变的发展符合对数增长的规律；而到达塑限含水率之后，土样的应变发展是一个很缓慢的过程，也占据了整个历时的1/2，而且前期的稳定直线上升段斜率较小，体现了土样在塑性区的一个应变发展规律；当含水率进一步发展到接近液限含水率(28.73%)时，塑性段转变到流态的破坏段，土样重新稳定的结构被破坏，进而表现为应变的快速发展，应变很快从18%左右增大到22%以上。

3.2基质吸力与应变

基质吸力随应变的变化曲线见图5。可以看出：初始含水率的不同决定了曲线的起点差异，这是由起始基质吸力决定的，随着含水率的增加，基质吸力随之减小，与应变之间呈现非线性关系。同时可以看出，初始含水率为8.4%的土样，基质吸力从90kPa下降到了20kPa左右时，应变只改变了5%；而初始含水率为16.6%和22.0%的土样，基质吸力从20左右下降到0，应变却改变了15%，表明土样从塑限含水率到液限含水率之间，土样对水的敏感性很强。但是由于土水相互作用具有滞后性，一般滑坡都发生在降雨或灌溉之后，因为基质吸力减小需要时间。当减小到塑限含水率之后，应变快速发展，揭示了该地区Q3黄土强的湿陷特性以及浅层滑坡和崩塌的根本原因。

图5　轴向应变随基质吸力变化曲线图Fig.5　Variation curve of axial strain with matrix suction

图5中的塑限含水率对应的基质吸力虚线只在初始含水率为8.4%和11.0%的土样中出现，因为其余两个土样的初始含水率已经超过了塑限含水率。这是否可以说明，连续降雨的危害大于间歇性降雨，因为连续降雨，土体吸湿，并逐渐下渗，使土体的基质吸力快速下降，当含水率超越塑限含水率时，土体的应变随之变化很大；而间歇性降雨，使土样达到其塑限含水率还是比较困难的。同时类比于灌溉，合理有效的灌溉是应该采纳的，大面积浇灌只会破坏原有的地下水文条件以及土样的状态，会造成难以估量的损失。

3.3界限含水率

根据前述对应变特性与基质吸力的研究可见，曲线形态具有相似性。可以看出，初始含水率为8.4%的土样涵盖了整个变化曲线(A—D段)，而初始含水率为11.0%的土样只包含了B—D段，初始含水率为16.6%和22.0%的土样只包含了曲线的C—D段。

可以认为初始含水率对土样的应变特性影响很大，直接决定了土样在灌溉条件下的水力特性。为了验证不同初始含水率下应变随时间的变化曲线以及基质吸力随应变的变化曲线的类似性，找寻界限含水率对应的的基质吸力，根据基质吸力找寻其应变点(表3)。

由表3可以看出，塑限含水率对应的应变(除含水率大于塑限含水率之外)具有相似性；而液限含水率对应的应变基本上相同，可以直接确定，对于同一种土，其基质吸力与应变的变化关系曲线是类似的，曲线的差别可能是由于土样之间的差异、仪器的误差以及人为因素等造成的。

表3　界限含水率对应的基质吸力与应变一览表

4　灌溉诱发黄土滑坡机理探讨

从非饱和土角度探讨灌溉诱发黄土滑坡的机理是一种趋势，其实际符合吸湿特性。从天然状态到饱和状态这一动态过程中，基质吸力的减小以及强度参数的变化都体现了这一变化过程，只不过是如何定量刻画其应力应变响应的过程。笔者通过土水特征曲线，找寻了其在吸湿过程中的应变突变点和含水率的敏感性，结果很明显，从塑限含水率到液限含水率之间，土样对水的敏感性很强，同时也对应了其应力应变突变点的位置。那么从这个角度，灌溉条件下，土体吸湿，在未达到塑限含水率之前，应变范围很小，不会引起大范围的变形，而随着灌溉时间的延续，土体含水率增加到塑限含水率之后，应变快速发展，其孔隙的压缩和局部应力的集中都会加速发展其边坡稳定性的下降，直至土体到达液限含水率，基质吸力就降到了零，但此时并不会发生大范围的位移，由于土水反应具有滞后性，也就验证了前述论文中滑坡一般发生在灌溉之后的时间里，至于多久，还需要对土水特性曲线滞后特性进一步研究，其也成为笔者后续研究的一个方向。

5　结论

在获取土样的土水特征曲线的基础上，开展了同一围压下控制不同基质吸力(初始含水率)的吸湿实验，主要得出了以下3点结论。

(1)在各向异性固结之后，减小土样的基质吸力，从而使试样发生变形破坏。试验现象表明，整个变形过程中没有剪切面的存在。

(2)吸湿试验中，应变随时间的变化规律可以归结为3个阶段：对数增长阶段、指数增长阶段以及突变阶段。

(3)初始含水率的不同，决定了曲线的起点差异，这是由起始基质吸力决定的，随着含水率的增加，基质吸力随之减小，与应变之间呈现非线性关系。同时表明土样从塑限含水率到液限含水率之间，土样对水的敏感性很强。当含水率增大到塑限含水率之后，应变快速发展，初步揭示了该地区Q3黄土强的湿陷特性以及浅层滑坡和崩塌的根本原因。

(4)塑限含水率对应的应变(除含水率大于塑限含水率之外)和液限含水率对应的应变基本上相同。可以确定，对于同一种土，其基质吸力与应变的变化关系曲线是类似的，曲线的差别可能是由于土样之间的差异、仪器的误差以及人为因素等造成的。

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Experimental Research on Hygroscopic Properties of Q3Loess in the Southern Tableland of Jingyang County

GE Ruihua1, XIE Wanli1, FENG Li1,2

(1. Departmentof Geology. Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China; 2.Key Laboratory for Geo-hazards in Loess Area, MLR, Xi'an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China)

Actual stress path of the unsaturated loess caused by the damage of irrigating induced can be approximated as normal stress and deviatoric stress remains unchanged, while the process of gradually reducing of matrix suction. In order to research the strain characteristics of unsaturated loess under wetting conditions, the Q3Loess in the Southern Tableland of Jingyang County has been taken as the research object, and the experimental research on hygroscopic properties of unsaturated loess under the control of different hygroscopic properties of the matrix suction (initial water content) has been carried out from the angle of the unsaturated soil. The results show that, the deformation and failure are happened in the soil samples under a steady primary stress with the decrease of the matrix suction, but no damage shear surface occursin the whole deformation process; the further research suggests that soil samples have strong water sensitivity from the plastic limit water content to liquid limit water content.When the water content increases to the plastic limit water content, the strain is developed rapidly, which reveals the strong collapsiblecharacteristics of Q3loess and the causes of shallow landslide and avalanche. Finally, for the same soil, the change curves of its matric suction and strain are similar,their differences in the curve may be caused by the differences of soil and the errorbetween the instruments that made by human factors.

intact loess; irrigation; unsaturated soil; matrix suction; strain

2015-02-15；

2015-08-20

西北大学大陆动力学国家重点实验室课题(BJ14268),陕西省科技攻关项目(FJ13055),西北大学研究生教育教学改革研究项目(YJG13002)

葛瑞华(1991-)，女，汉，江苏徐州人，硕士研究生，从事黄土地质灾害防治与研究。E-mail：grhfighting@sina.com

P642.13

A

1009-6248(2015)04-0218-08