竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

张 林，张登飞，陈存礼，游子龙，孙佩娜

（1.西安理工大学 岩土工程研究所 陕西省黄土力学与工程重点实验室，陕西 西安 710048；2.西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；3.上海中建东孚投资发展有限公司，上海 200120）

1 研究背景

非饱和土在降雨或灌溉条件下，都要涉及其增湿入渗问题，随着室内试验测试技术的发展，对这一问题的研究不断完善，在试验手段上，土柱入渗试验已经得到广泛认可，入渗过程及土水特性作为研究的两个基本方面已经有了长足发展。对于非饱和土土柱入渗过程及入渗规律研究，王文焰等[1]在Green-Ampt入渗模型基础上，推导得出了适用于黄土区的积水入渗模型，该模型不仅可计算累积入渗量及湿润锋深度，而且还可估算出土壤水分剖面分布状况；王春颖等[2]通过室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的试验，研究了夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响；覃小华等[3]、张世斌等[4]研究了非饱和重塑黄土在不同降雨强度下的水分迁移特性；张禹扬等[5]通过数值方法模拟分析了灌溉水的入渗过程。在非饱和土土水特性规律研究与应用方面，叶为民[6]根据各土样吸力与饱和度的关系，描述了上海地区粉质黏土土水特征；C.W.W.Ng等[7]研究了干湿循环下不同压力对淤泥质土的土水特性影响；胡海军等[8]对持水曲线进行了测试并应用VG模型和Brooks-Corey模型进行了拟合，另外为应用两个模型间接获得非饱和渗透系数函数，还测试了饱和渗透系数；李萍等[9]、王红等[10]采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线，预测了黄土的渗透性；张钦喜等[11]将土水特征曲线应用到数值模拟软件中；林鸿州等[12]将土水特征曲线应用于滑坡预测中。从以上研究发展可知，通常通过试验可以获得入渗过程中有用的试验参数，在此基础上获得非饱和的入渗规律，提出用于解决实际工程问题的数学模型，为数值计算提供可靠依据。以上土柱入渗方面研究已经逐步完善，但极少考虑上覆压力作用以及因此产生的变形问题，而实际工程应该考虑由力-水-土模式渗水产生的危害，例如，天然斜坡土体通常承受一定的应力作用，在雨水入渗过程中水力耦合作用使土体产生变形，进而引起渗透特性的变化，土坝在自重应力作用下渗水产生溃坝危害，路基表面因积水导致基层含水量增大，进而在荷载作用下产生翻浆和裂缝等问题。研究这些问题的前提是弄清在渗水条件下考虑竖向压力影响的土体内水分入渗规律。

非饱和黄土的力学特性具有显著的水敏性，含水率增加会导致其强度降低和变形增加[13]，进而影响土体土水特性的变化，这是造成许多黄土地区工程问题的主要原因。实际工程中水在入渗时往往存在上覆压力，这一因素对具有水敏性，结构疏松，压缩湿陷性强的非饱和黄土影响很大。基于以上分析，本文以兰州非饱和黄土为研究对象，在力-水-土模式下，利用土柱渗水试验方法重点探讨土体内部水分迁移、变形问题及土水特性。在变形问题方面，与常规环刀试样进行对比，探讨了尺寸效应的影响。

2 试验基本情况

2.1 试验仪器试验采用一维瞬时土柱渗透仪如图1所示。该仪器系统由土柱筒、水分传感器、张力计、马氏瓶、竖向加压系统以及数据采集系统组成，自动采集体积含水量、基质吸力、轴向变形量以及流量Q，竖向压力由竖向加压系统提供。

2.2 试验土样及试样的制备试验所用黄土土样取自兰州新区，取土深度为4～5 m，土质较均匀，无明显的孔洞，土样的基本物理性质指标见表1。由塑性指数小于10及颗粒组成分析可知，该黄土颗粒组成中黏粒含量较少，属于典型的粉质黄土。

表1 黄土的物理性质指标

图1 一维瞬时土柱渗透仪示意（单位：mm）

试验土样均为重塑土样，将黄土碾碎后过1 mm孔径的筛子，测定其含水率，用喷雾法控制其制样含水率wo=8%，搅拌均匀后装入塑料袋密封备用。在土柱试样的制备中，为了使土柱试样密实均匀，采用分层压实，每层压实高度50 mm。压实过程中采用体积变形控制，根据土柱外壁胶带黏贴的刻度清晰的卷尺，利用气压缓慢施加轴向力，直到轴向高度达到压实位置即停止。每层压实完后对压实面打毛，再进行下一层压实，最终制成高350 mm，直径150 mm的圆柱状土柱试样。试验前对土壤水分传感器进行标定：配置不同含水率的土样，用传感器测量出体积含水率，找出量测值与实际值之间的关系，对数据进行校核。在土柱试验中，水分计插入土柱时，为防止土样扰动，避免土样破坏及裂缝产生，安装水分计探头探针位置用钻子预先成孔，孔径略小于探头直径，使探头与土样接触良好。水分计与有机玻璃管接触位置进行密闭处理，防止水分流出，土柱样安装完成后需要用保鲜膜将上部密封，防止水分蒸发。

2.3 试验方案为了研究侧限固结压力对非饱和黄土压缩湿陷、入渗过程、土水特性的影响，进行了不同竖向应力下常水头垂直土柱积水试验。室内制备干密度为1.35 g/cm3，含水率为8%的土柱试样，施加竖向压力为0（无应力状态）、50、100、200、300 kPa，共计5个土柱试样。对常水头渗水试验，调整马氏瓶高度控制水头高度，先迅速加水至设定水头，然后保持水头高度为50 mm，整个渗水过程固结压力保持不变。无竖向应力作用时，试验过程中由数据采集系统自动记录渗水时间、渗水流量、水分计和张力计测量值；有竖向应力作用时，试验时首先通过调节气压控制竖向加载装置，提供不同竖向压力，对土柱进行预固结，用位移计测量固结过程的压缩变形，固结稳定标准为位移计变化量0.01 mm/h，水分计和张力计数值基本保持不变。渗水时可以采集增湿湿陷变形量，当水分计与张力计基本稳定，且流经土柱的水量变化保持不变，即认为渗水试验结束。渗水完成后，去掉保鲜膜，将竖向加载系统上移，取下土柱筒，卸下水分计、张力计，在土柱不同位置取环刀样并测含水率，用于校正测量值。为了对比尺寸效应对该黄土压缩湿陷的影响，同时进行了常规压缩湿陷试验，加载等级和压缩稳定标准与土柱试验一致，常规压缩土样尺寸为高20 mm，截面面积为30 mm2的环刀试样。

3 试验结果分析

3.1 竖向压力下尺寸效应对压缩湿陷特性的影响通过试验得到土柱和常规压缩时的e-lgp关系曲线（图2）、浸水后的增湿湿陷系数δs与固结压力p的关系曲线，如图3所示。

图2 e-lgp关系曲线

图3 δs-p关系曲线

图2中两条压缩曲线分别可以用两段直线进行拟合，第一段为平缓段，表明土样结构稳定，未受到破坏；第二段为陡变段，表明土体内颗粒开始滑移，结构开始破坏，孔隙重新排列组合，土样逐渐压密。经对比，土柱压缩性在试验压力下小于常规压缩，这是由于土柱试样径高比小于常规试样，压缩范围大，整体压缩性差。用经验作图法找出该土的结构强度pc=80 kPa，当作用压力未超过pc时，土的压缩性很小，一旦压力超过pc，土的结构破坏，压缩性急剧增大，两种试样尺寸压缩时结构强度相同。以上分析表明对于该土样尺寸效应对土样的压缩性有影响但不影响其结构强度。

在竖向压力作用下土样变形稳定后，浸水产生湿陷，根据图3，在标准压力（200 kPa）作用下，δs=0.056，0.03＜δs＜0.07，由此可判断该土为中等湿陷性[14]。湿陷系数为0.015所对应的压力即为湿陷起始压力，由图知，该黄土的湿陷起始压力小于40 kPa，表明具有较强的水敏性。经比较，在试验压力下土柱同常规压缩湿陷性皆先增大后趋于平缓，未出现下降段，且土柱湿陷系数始终大于常规试验，这是因为土柱在增湿过程中随着压力增大，整体受力逐渐均匀，压缩湿陷性增大到一定程度趋于平缓，而径高比较大的环刀试样受力均匀，湿陷范围小。从图中也可以看出，尺寸效应对湿陷起始压力影响不大。

3.2 竖向压力对土柱渗水过程的影响通过试验，得到土柱渗水过程中的浸润峰（行进速率）、入渗量（入渗流速）时程线，分别如图4、图5所示。

图4 浸润峰深度及其行进速率时程线

图5 入渗量及入渗速率时程线

分析图4可知：（1）每条曲线都可以分为两个阶段。第一阶段，由于浸水初期土柱吸力较大，水迅速进入土样内部，浸润峰行进较快；第二阶段，水渗入一段时间后，土柱上部逐渐达到暂态饱和，土柱的入渗能力被削弱，浸润峰行进速率减慢，最终趋于稳定。（2）是否施加竖向压力对浸润峰行进速率变化有明显的影响，土柱增湿时浸润峰的行进速率随竖向压力的增大而逐渐减小。这是因为竖向压力下土颗粒之间孔隙减少，颗粒排列更加紧密，导致水的入渗阻力增大，水必须破坏一部分土颗粒才能继续向下渗透。（3）不同竖向压力对浸润峰行进速率变化影响逐渐减小。这是因为土柱在较大的竖向压力下增湿时，试样孔隙比变化程度减小，此时不同竖向压力下浸润峰行进速率差异不大。

湿润峰行进速率用下式表示：

式中：ΔH为湿润峰深度变化值；ΔT为对应时间。

图5中入渗流速与图4浸润峰行进速率规律性相似，但不同压力间曲线有交叉，初始入渗速率随着压力的增大而减小，由于压力与初始压缩量的差异，在增湿过程中试样在力水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉，且压力越大入渗速率变化范围越小。入渗流速公式为：

式中ΔQ为累计入渗变化量。

绘出浸润峰到达土柱底部时对应的流量节点（图5（a）），由图知，在300 kPa压力时所对应的入渗量小于其他竖向压力下的，这是因为在300 kPa压力下，土颗粒极易破坏，土样湿陷性最大，进而使土样密实，严重阻碍水的渗入，流量小的原因可能是土样的毛细作用引起的浸润峰先到达土柱底面。

从以上分析可知，水的入渗在无压力条件下较有压力条件容易，在实际防水工程中可以利用加载的方式增加土体的密实度，从而减缓甚至杜绝水的入渗，例如坝体路基等工程中经常通过反复碾压和施加较大上覆荷载来起到防水的作用。

3.3 竖向压力对监测点体积含水率的影响通过试验，整理得到体积含水率θ与时间的关系曲线，如图6所示。

图6 浸水时竖向压力对体积含水率时程线的影响

由图知，不同竖向压力下监测点的体积含水率时程曲线具有如下规律：

（1）从传感器所测土壤体积含水率可知，监测点的最大体积含水率为40%左右，最小体积含水率为10%左右，曲线规律为平-陡-平，且施加竖向压力与否对其规律有较大的影响，无压力作用时，土壤体积含水率迅速陡变达到最大值，当有压力作用时，体积含水率变化有明显的过渡段。随着压力的增大，积水传至不同传感器的时间点，即监测点体积含水率开始增长的时间节点增大，竖向压力作用改变了渗水路径，从而影响了监测点体积含水率的变化。

（2）由图6（a）可知，当无竖向压力作用时，土样内土颗粒疏松，积水入渗较为容易，监测点的坐标点最稀疏，监测点体积含水率从开始增长至达到最大值所需时间最短；固结压力为300 kPa时，土样压缩密实且湿陷性最大，积水入渗相对缓慢，有充足的时间向土柱下层入渗，监测点的体积含水率在达到35%左右后增长缓慢，小于其他压力下的增长速率。监测点体积含水率增长方式随固结压力的增大呈规律性减缓。

（3）由图6（b）可知，下监测点的体积含水率时程曲线与上监测点具有相同的变化规律，但同一压力下体积含水率增长的过渡时间较上监测点长，监测点的坐标点较上监测点更加密集。这是因为土柱上半部分已经达到暂态饱和，水的入渗能力减弱。

（4）由图6得到了不同竖向压力下，积水传至不同传感器的时间点，即监测点体积含水率开始增长的时间节点，并列于表2。由表2可知，当积水传至同一传感器时，竖向压力越小所需时间越短；如上监测点，竖向压力为300 kPa需4860 s，无压力时仅需1380 s。

表2 浸水过程中体积含水率开始变化的时间

3.4 竖向压力对土柱土-水特性的影响由于试验过程中土样的干密度与孔隙比实时变化，因此本文整理试验成果，得到上、下监测点基质吸力ψ与饱和度Sr的关系曲线如图7，用来表征土柱持水特性。

由图7可知，上、下监测点曲线均可分为三段描述，第一段为饱和段，此段饱和度趋于稳定，基质吸力变化范围较小。孔隙水势能与自由水势能接近，土样吸力接近于0。有竖向压力作用较无压力作用进气压力值小，皆小于10 kPa，但规律性不明显。第二段为过渡段，该段饱和度变化范围较大，基质吸力变化范围较小，由于试验用土为粉质黄土，黏粒含量少，过渡段急促，此时饱和度相对较高，孔隙水势能与自由水势能两者之间的差值相对较小，相应的土体吸力较低，毛细冷凝作用成为主导性的吸附作用，随着竖向压力的增大过渡段范围减小。第三段为残留段，此时为增湿至传感器初期，饱和度变化范围很小，基质吸力变化范围较大，这是由于饱和度相对较低时，孔隙水势能较自由水势能更低一些，对应的土体吸力高，且土样初始含水率为8%左右，相对湿度远远小于毛细冷凝作用的临界值，高吸力在短程吸附作用下吸附更多的孔隙水导致吸力骤然下降。随着压力的增大，残留区减小，残余饱和度增大。残留区与过渡区的转折点所对应的饱和度为残余饱和度，此饱和段内固-液交界面短程的吸附作用，此后孔隙水主要受毛细作用影响。过渡区与饱和区的转折点所对应的压力值为进气压力值。当曲线达到进气压力值时，毛细作用引起的气-水交界面吸力开始消失，土体系统接近饱和。由以上分析可知，压力作用对持水特性的三个阶段均有影响。

图7 浸水时竖向压力对土-水特征曲线的影响

将增湿前后上下监测点校正后的饱和度列于表3。无压力作用时，浸水前后上下监测点饱和度皆相等，说明制样均匀；由于试样下部不仅受压力作用还有上部土的附加应力，浸水前后下监测点饱和度皆大于上监测点；压力作用时饱和度皆大于无应力作用，且随着试验压力增大饱和度逐步增大。由实测饱和度知，非饱和土入渗过程中由于残余含气量的存在，土体并未达到完全饱和，与马田田等[15]研究结果一致。

表3 浸水前后饱和度对比

在应用非饱和土土-水特征曲线时，只有把试验散点变成连续的函数，才能将土-水特征曲线应用到相应的计算中，试验所得参数可以为压力作用下数值计算做理论基础，为兰州新区工程建设提供参考依据。下面用经典Van Genuchten[16]模型对试验结果进行拟合。拟合结果见图7，可以看出用该模型拟合效果较好，拟合参数见表4。

van Genuchten方程为：

式中：Sr为饱和度；Srs、Srr分别为饱和、残余饱和度；Ψ为基质吸力；a为与进气值有关的参数；b为当基质吸力大于进气值后与土体脱水速率有关的参数；c为与残余含水率有关的参数。

4 结论

（1）土柱压缩性、湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异；尺寸效应不影响试验黄土结构强度，对其湿陷起始压力影响不大。

（2）土柱渗水初期，浸润峰行进较快，而随着浸湿上部逐渐达到暂态饱和，浸润峰行进速率减缓；是否施加竖向压力对土柱浸润峰行进速率和入渗速率变化有明显的影响，非饱和黄土增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小，随着竖向压力的增大，其差异性减小；在增湿过程中，试样在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉，且竖向压力越大入渗速率变化范围越小。

（3）竖向压力作用改变了渗水路径，从而影响了监测点体积含水率的变化；监测点体积含水率增长方式随竖向压力的增大呈规律性减缓；竖向压力越小，水分传至同一传感器时所需时间越短。

表4 VG模型拟合参数

（4）竖向压力作用对土水特征曲线的饱和段、过渡段和残余段均有影响；在Sr-Ψ坐标系中，无压力作用时，浸水前后下监测点饱和度皆大于上监测点；压力作用下土柱饱和度较无压力作用时大，且随着试验压力增大饱和度逐步增大；当基质吸力趋于0时，土样未达到完全饱和；用经典Van Genuchten模型对不同固结压力下的土-水特征曲线进行拟合，得到其拟合参数，以供工程设计使用。