非饱和扰动粉砂质黏土的土-水特征曲线特征研究

王成文，薛忠歧，李 英,2,3，黄小琴，朱 薇

(1.宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750011；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；3.宁夏回族自治区地质局，宁夏 银川 750021)

0 引言

土-水特征曲线是用来表示非饱和土体中基质吸力与含水率关系的曲线。在土-水特征曲线研究过程中，由于土体基质吸力与含水率的关系复杂，受外界诸多因素影响，很难从理论上推导出具体的关系表达式。在一般的研究方法中，大致分为两类方法：直接法和间接法。直接法有张力计法、压力膜法、砂芯漏斗法、离心机法、平衡水汽压法等；目前，虽然在室内或原位的直接测定土体的水分特征曲线得到一定的发展，但是这些方法大部分有较耗时、费力、准确度低等缺点，难以精确得到土-水特征曲线，不能满足科研要求。因此间接推求法显得格外重要，它克服了室内方法存在的测量条件难以实现、试验过程时间过长或者试验精度较低等问题[1-2]。

在土-水特征曲线的相关研究方面，毛尚之[3]对湖北枣阳地区的膨胀细粒土进行土-水特征曲线试验研究，初步分析了应力及吸力历史等因素对土-水特征曲线的影响；田湖南、孔令伟[4]进行了细粒对砂土持水能力影响的试验研究，分析了钱塘江南岸的萧绍冲积平原砂土的土-水特征曲线的特征，探讨细粒对砂土持水能力的影响；唐延贵、吴礼舟[5]对西南某地的粉质砂土进行干燥试验，得到应力相关的土-水特征曲线及变形曲线。综上可知，目前大多数学者侧重对原样土的研究，而对扰动土的研究较少，同时对于粉土和粉砂类黏土的土-水关系缺少系统比较。本文在前人对细粒土研究的基础上，筛选配比三种非饱和扰动土样，进行土-水特征曲线试验研究，并选取两种模型进行拟合分析，对以后研究非饱和地下水流、土壤生态、水土保持等问题提供一定参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次供试土样取有代表性的河漫滩沉积相砂土和河湖沉积相的黏性土，筛选不同颗粒级配的扰动土体进行试验研究，调试不同颗粒级配的土体类型，为以后实际复杂地层土-水特征曲线研究提供一定参考。在天然状态下风干、碾碎、去除杂质，过筛2.0、1.0、0.25、0.05 mm(泰勒标准筛制)，制备不同颗粒级配的土样。根据国际制土体质地分类标准(孙向阳等，2005)[6]，配制三种类型扰动土样供本次试验用土，一种是粉砂，另外两种土样分别是粉砂土、粉质黏土，其颗粒级配曲线见图1，试验土壤颗粒组分及定名见表1。

表1 试验用土的颗粒组成及定名

1.2 土体物理指标测定

土体的物理特性是最基本的指标，本文对土体的容重、比重、含水率、pH值等项目进行了分析测定。按常规分析方法测定，测试方法参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)和《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)，测试结果见表2。

表2 土体基本理化特性参数

1.3 试验方法

大量试验研究表明[7-12]，Brooks-Corey模型和Van Genuchten模型在不同种类质地、不同环境等条件下模拟得到的曲线较为理想，具有很高的连续性，在相当宽的基质吸力或是函数率范围内具有普遍适用性，因而在各领域研究中得到较为广泛的应用。B-C模型与V-G模型的经验公式如下：

Brooks-Corey模型(简称B-C模型)：

(1)

式中，θ为体积含水率；Se为饱和度；θs为饱和含水量；θr为残余含水量；hb为进气压力；h为压力水头；λ为反映土体孔隙大小分布的正常数；{(1-a|h|)n-1「1+(a|h|)n⎤-m}2。

Van Genuchten模型(简称V-G模型)：

(2)

(3)

表3 土-水特征曲线拟合数学模型

RETC软件是由美国盐土实验室Van Genuchten等人(1999)依照最小二乘法回归原理编写开发，操作便捷，是专业的土-水特征曲线拟合软件(配合压力膜法)，同时也用于分析包气带的各项水力特性参数。RETC软件工作界面见图2。本文借助于RETC软件，对拟合效果较好且具有代表性的Brooks-Corey模型和Van Genuehten模型进行拟合，比较拟合效果。

2 试验结果分析

2.1 不同土样的拟合结果

运用不同的数学模型对三种土样进行拟合，由图3可知，在整个脱水实验过程中，三种试样土-水特征曲线主要表现为：随着土体所受外力(基质吸力)不断增大，含水率逐渐减小，尤其在砂性颗粒含量较高的土体中最显著。在较低吸力段(<30 kPa)，土体含水率随吸力增加变化最为敏感，表现为曲线较陡；在中吸力段(30～120 kPa)，随吸力的增加，土-水特征曲线减小幅度变缓，速率变小；在较高吸力段(>120 kPa)，土体基质吸力的增加对含水率的影响减弱，表现为土-水曲线变化平缓，土体含水率趋于稳定。

分析其原因，在较低土体基质吸力范围内，土体中的水分保持与传输主要受土体毛细力的作用影响，而毛细力大小主要取决于土体孔隙大小分布、排列方式等。在砂性颗粒较大土体(1#土样)中，孔隙分布较为疏散，持水性最差，故变化最为敏感；在较大吸力范围内，土体对水分的作用主要为土体颗粒表面的吸附力作用，土体颗粒质地对土壤含水率影响甚微。在同一含水率条件下，土体黏粒含量越多，土体对水分的吸附作用就越强，即持水性越强，表现为土体水分随吸力的增加而释水输出缓慢，即土-水曲线变化缓慢。反之，土体砂性颗粒含量越多，在相同土体吸力下，持水能力越差，表现为含水率越小。

2.2 拟合误差分析

由于土-水特征曲线的复杂性，难以用理论公式来表达土吸力与含水率的关系，只能用经验模型来拟合，得出较为理想的曲线。在不同数学模型拟合中，均有一定的误差。设随吸力递减的含水率为因变量Y(X)，土水吸力为自变量X，令：

Y(X)=KX

(4)

在理想情况下，即误差为零，K=1。用公式(1-4)对试验结果与模拟结果进行回归分析，见表4。

表4 不同质地试样土-水特征曲线

由表4和表5可知，B-C模型和V-G模型的模拟结果和实测结果非常吻合，均在容许的范围之内，方差均大于0.86，其中V-G模型的拟合更为理想，尤其是对供试土样1#和2#的拟合，方差均达到了0.99以上。该两种经验模型对3#试样的拟合效果较差，这可能是由于实际测定的机械组成是过了1 mm土筛，而测定特征曲线的土体却没有，从而使得大于1 mm的颗粒相对较多，造成了这样的影响。理论模型对粉砂质黏土的模拟有较大误差，这说明土体累积曲线的拟合是重要的。从上面计算过程可以看出理论模型比较直观、简单，同时可知经验模型相对比较准确。

表5 模型相关拟合参数值

2.3 土-水特征曲线的主要影响因素

(1)土体质地

在影响土-水特征曲线的各种因素中，土体质地的影响最为明显。结合土-水曲线实测值分析，土体颗粒越细越黏，其比表面积越大，压实后的土孔隙也越小，土体对水分的持有能力越强。如图4所示，在相同吸力作用下，3#土样的含水率最大，释水性最差，即黏性越大的土颗粒，吸水性能越好；相反之，质地越粗越砂，在相同吸力条件下，3#土样的含水率最小，释水性最强；因此，土体质地对土-水特征曲线的影响最为直观、显著。

(2)土体结构(孔隙性)

土体结构对土-水特征曲线的影响也较为明显，尤其是在土体接近饱和含水率的时间段内，当土体的团聚性较好，土体团聚体数量较多时，曲线开始时都先经过一个平缓上升段后又变急速上升，团聚体含量越多，曲线一开始平缓上升的越低平；当土体比较分散，团聚体含量比较少时，曲线一开始就上升很快，而后经历一段缓慢上升，最后转入急速上升，呈现出典型的“S”型曲线。土体结构之所以对土-水特征曲线有影响，实质上是由于土体结构状况的不同而导致的孔隙状况不同所引起。

3 结论

(1)在三种类型土样的土-水特征曲线模型中，V-G模型的拟合更为理想，尤其是对砂质类的土体拟合，拟合相关性较高，方差均达到了0.99以上，是描述该种土的水分特征曲线的适宜模型。

(2)在同一含水率条件下，土体黏粒含量越多，土体对水分的吸附作用就越强，表现为土体水分随吸力的增加而释水输出缓慢，即土-水曲线变化缓慢；反之，土体砂性颗粒含量越多，在相同土体吸力下，持水能力越差，表现为含水率越小。

(3)土体质地和土体结构是影响土-水特征曲线的主要因素。土体质地的颗粒越细越黏，其比表面越大，土体对水分的持有能力越强，曲线随吸力的变化越缓慢；在土体结构中，当土体比较分散，团聚体含量比较少时，曲线经历“快速上升—缓慢上升—急速上升到稳定”，呈现出典型的“S”型曲线。