不同干密度压实黄土垂直积水入渗特性

赵 乐，倪万魁*，张镇飞，王海曼，刘 魁

(1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.信息产业部电子综合勘察研究院,西安 710054)

近年来，黄土地区大量平山造地工作形成了许多大范围高填方黄土场地[1-2]，而黄土作为一种具有水敏性的特殊类地基土，因受水分入渗作用影响而引发的不均匀沉降、湿陷变形等工程危害屡见不鲜。因此对填方压实黄土中水分入渗特性进行研究具有重要意义。

自然环境中的土主要以非饱和形式存在，建于非饱和黄土场地的构筑物受浸水变形破坏与自然降雨、人工灌溉、地下管道渗漏等密切相关。对于非饱和黄土水分入渗过程及规律研究，覃小华等[3]通过不同降雨强度下的一维垂直土柱模型试验，分析了降雨强度对压实黄土水分迁移规律的影响；杜玉鹏等[4]研究了不积雨条件下不同干密度压实黄土水分入渗及湿润锋运移规律，得到了不积雨情况下湿润锋前进深度与渗流稳定区深度的关系；姚志华等[5]通过水平及垂直两种制样方式对Q3黄土进行水平土柱入渗试验，得到了不同制样方式下容水率和扩散率变化特征；张镇飞等[6]借助压实黄土的一维土柱的垂直入渗试验，分析了常水头条件下累计入渗量、湿润锋前进距离和入渗率随时间的变化关系。此外，考虑到室内试验的局限性，许多学者[7-11]在不同黄土场地进行多种类型的模拟降雨及浸水试验，分析了不同地区原状黄土水分入渗规律及变形沉降特征。以上众多研究对黄土地区地下水分运移的探索起到了巨大推动作用，从中也不难发现土壤水分入渗影响因素复杂多样，其中土体干密度变化作为阻碍土壤水分运移的重要因素之一，同样受到众多学者的关注，张华等[12]通过不同干密度状态下压实土的一维积水入渗试验，揭示了入渗过程中封闭气泡对入渗性能的影响机制；吴争光等[13]利用一维土柱积水入渗试验，得到了不同土体类型、干密度以及初始含水率对土壤水分入渗率影响；李华等[14]基于滤纸法的垂直土柱试验对不同干密度压实黄土进行测试，揭示了压实黄土渗透性能受孔隙分布影响的内在机理；杨忠翰等[15]、杨波等[16]分别对不同干密度下重塑土饱和渗透系数进行研究，探讨了孔隙度、渗透压强等因素对土体渗透性能影响。可见，干密度作为影响土中水分入渗的重要因素，深刻探讨其对土中水分运移规律影响的必要性，尤其对具有特殊水敏性的黄土地区显得尤为重要。

1 试验条件及方案

1.1 试验土样

试验土样取自延安某黄土工程场地，为Q2离石黄土。通过室内常规土工试验及粒度分析(表1)可知，试验土样属于粉土。

表1 试验土样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of test soil samples

按常规土工试验标准进行击实试验，测得土样最优含水率为16.5%，最大干密度为1.75 g/cm-3。

1.2 试验方法与过程

试验研究使用了自主研发的一套一维土柱垂直入渗试验装置，主要由数据采集系统和土柱装置组成，如图1所示。土柱装置内壁尺寸Ф30 cm×63 cm，筒壁两侧自上而下等间距各开设有一列(4个)直径为8 mm的圆孔用于穿线埋设水分传感器及水势传感器。筒底均匀布设有直径为5 mm的透水孔，上部水流可通过筒底透水孔经连接底部集水槽的橡胶软管排出。此外，由于土柱装置质量较大且不易移动，整个制样及后期浸水环节均在反力架上完成。

图1 一维土柱垂直入渗试验装置Fig.1 One dimensional soil column vertical infiltration test device

试验使用的水分传感器及水势传感器型号分别为EC-5和MPS-6，通过Em50数据采集器及配套软件(ECH2O Utility)进行相关数据的自动记录工作。

结合试验土样击实试验，为兼顾更大范围获取浸水过程中土体含水率变化情况以及得到较大压实度下的试验土样，设定压实土初始质量含水率为12%，干密度ρd设置3个水平，分别为1.45、1.55、1.65 g/cm3，对应饱和渗透系数3.56×10-4、7.49×10-5、5.56×10-5cm/s。参照《土工试验规程》(SL 237—1999)对土样进行风干、碾碎、过筛、配制含水率及静置等工作，之后采用分层装样法，将试验土柱分为10层，制成直径30 cm、高50 cm的压实土柱。根据不同目标干密度及土样质量含水率计算出5 cm厚土柱所需湿土样质量，借助反力架进行分层压制，层与层之间进行刮毛处理防止土柱分层，其中分别在距土柱底面10、20、30、40 cm处埋设水分及水势传感器。待试验土柱制作完成，调试传感器致读数稳定后在土柱顶部预留段加水10 cm，控制水头稳定，进行常水头浸水入渗试验。观察记录不同时刻土柱水分变化规律及入渗量，试验持续至土柱底部排水管流出稳定水流停止。

2 压实黄土垂直积水入渗变化特征

2.1 累计入渗量及入渗率

自试验开始至不同时刻压实土柱累计积水入渗量时程曲线如图2所示。由于入渗过程自始至终土柱横截面积A恒定，所以累计入渗量采用单位面积下的入渗统计量Q表示。观察发现，不同干密度ρd压实土柱累计入渗量随积水入渗历时逐渐增加且变化趋势相同，曲线斜率呈先增加后减小，1.45、1.55、1.65 g/cm3下的累计入渗量分别为Q1.45、Q1.55、Q1.65，同一时段的累积入渗量与干密度存在负相关性，即Q1.45﹥Q1.55﹥Q1.65。这是由于土体干密度变化的本质是一个土体内部孔隙压缩的过程，而土的水分入渗能力主要受到孔隙体积及连通性的影响，干密度越大，土中孔隙含量越少，利于水分运移的优势孔隙减少，孔隙连通性越差[14,17]，致使压实土体入渗能力减弱。

笔者通过分析侧滑事故成因及侧滑车辆路面痕迹的特征，基于此提出了一种侧滑事故的处理、鉴定方法，并利用侧向附着系数侧滑车速计算法，并运用到实际的侧滑事故当中进行计算分析，总结出避免侧滑的安全行车方法。从而为交通事故责任认定提供了重要依据，也为今后道路的建设和安全驾驶提供了重要依据和保障。

由图2可知，受土柱干密度影响，累计入渗量时程曲线斜率变化存在差异，为反映受干密度影响下的土体水分入渗快慢，可进一步借助不同时刻入渗率i进行表示。通过对比发现(图3)，相应干密度下土柱入渗率随时间变化与累积入渗量变化趋势对应，土柱干密度对积水入渗率影响明显，1.45、1.55、1.65 g/cm3下的入渗率分别为i1.45、i1.55、i1.65，大小顺序为i1.45>i1.55>i1.65。其中，积水入渗初始时刻入渗率均达到最大，随着积水入渗历时的增加迅速减小，并逐渐趋于稳定，各干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)对应稳定入渗率分别为8.46×10-3、4.42×10-3、1.70×10-3cm/min。造成这一现象的原因在于，一方面积水入渗初期，土体含水率较低，内部存在大量空孔隙且基质吸力较大，水分与土柱顶面接触时可快速被土体吸收，随着积水入渗的进行，土柱上部浸润区域内部孔隙被水分充填，水分继续向下运移产生孔隙气压[18]，同时不连通的封闭孔隙及土粒自身对水分入渗起阻碍作用，使入渗率减小；另一方面，不同组土柱干密度变化改变了土体内部孔隙含量、孔隙连通性，干密度越大，相同单位横截面积下孔隙所占百分比越小，孔隙连通性越差，内部气体越不易排出，且浸水易形成封闭气泡[12]，土体渗透性能变差，使得入渗率受干密度影响存在负相关性，进而导致相同时段的累积入渗量不同。

图2 不同干密度土样累计入渗量时程曲线Fig.2 Time history curve of cumulative infiltration of soil samples with different dry densities

图3 不同干密度土样入渗率时程曲线Fig.3 Time history curve of infiltration rate of soil samples with different dry densities

依据上述3组不同干密度土柱试验结果，各选择5处不同时间点(10、50、100、200、350 min)对应入渗率，建立入渗率与土柱干密度变化关系曲线(图4)。同一时刻不同干密度对应入渗率拟合曲线斜率反映了土柱干密度对入渗率的影响变化。可见不同时刻对应的不同干密度与入渗率拟合曲线斜率随时间推移逐渐减小(-0.25、-0.10、-0.09、-0.07、-0.05)，入渗率受土体干密度变化影响主要体现在积水入渗前期，并随着入渗时间的推移而影响逐渐减弱。

图4 入渗率随干密度变化关系曲线Fig.4 Relation curve of infiltration rate with dry density

2.2 湿化位移及前进速率

3组不同干密度土柱对应积水入渗过程中湿润锋前进距离随时间变化如图5所示。不同干密度土柱随积水入渗时长推移，湿润锋前进深度逐渐增大，各组湿润锋时程曲线变化趋势相同，在相同积水入渗时长下因受不同组土柱干密度(1.45、1.55、1.65 g/cm3)影响，干密度越大湿润锋前进距离h越短(h1.45>h1.55>h1.65)。自试验开始，各组土柱积水入渗过程中湿润锋运移相同时间段200 min所到达的深度分别为37.6、31.8、22.8 cm。对比累计入渗量随时间变化时程曲线(图2)，可见土体干密度变化对湿润锋前进距离的影响与累计入渗量变化具有相似特性。

单位时间内的湿润锋前进距离代表压实土柱湿化位移的前进速率。积水入渗初期湿润锋前进速率伴随着初始入渗率达到最大，而后迅速减小并随着积水入渗的时长而逐渐趋于稳定(图6)，与图5对应。积水入渗后期，不同干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)湿润锋运移速率分别稳定在0.103、0.067、0.034 cm/min。其中，受孔隙变化影响，湿润锋前进速率v与压实黄土干密度存在负相关性，v1.45>v1.55>v1.65，这是因为积水入渗过程中，湿润锋不断向前推移，土体中的水分主要通过土粒间的孔隙进行运移，而土体干密度的增大降低了孔隙间的连通性，减少了孔隙含量，且易形成封闭气泡阻碍水分运移，当土中运移水分无法通过原来封闭的孔隙时会延长渗流路径，增加入渗时间，宏观上表现出同一时刻湿润锋前进速率减小。

图5 不同干密度下湿润锋前进距离时程曲线Fig.5 Time-history curve of wetting front advancing distance under different dry density

图6 不同干密度下湿润锋前进速率随时间变化曲线Fig.6 Variation curve of wetting front advance rate with time under different dry densities

2.3 监测点含水率变化特征

借助水分传感器可进一步监测到各组干密度土柱不同深度土层体积含水率θ随时间变化情况(图7)。随着积水入渗历时增加，压实土柱监测截面处水分传感器由浅至深依次响应，土体体积含水率增大并最终基本稳定于同一值；其中，随积水入渗深度变化，同一土柱相邻土层传感器间水分入渗响应历时逐渐增加(表2)，监测处土体体积含水率由初始态增湿至稳定过程减缓(表3)。这是因为，入渗时间及入渗深度的变化引起入渗率及湿润锋前进速率逐渐减小，土柱内湿润锋前端水分不能及时得到上部土体补充，从而导致压实土柱下部土体较上部土体受水分入渗增湿时长增加。这与不同降雨强度下的土体增湿有着相似的变化特征[3]。

图7 不同干密度下监测点体积含水率随时间变化规律Fig.7 Variation of volumetric water content of monitoring points with time under different dry densities

不同组土柱干密度变化对积水入渗土体含水率影响主要体现在两个方面：干密度越大，对应不同组土柱同一深度的相邻水分传感器间土层积水入渗历时越大(表2)，这是因为干密度增大降低了压实黄土水分入渗能力，相同积水入渗时刻入渗率及湿润锋前进速率减小，表现出同一土层厚度的土体干密度变化与积水入渗历时存在正相关性；不同干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)积水入渗截止时，体积含水率分别稳定在42.9%、42.2%以及39.0%左右，而土样的实际饱和体积含水率分别为46.7%、43.0%以及39.3%，可见充分积水入渗过后的压实土体并未达到真正饱和。其中，不同组土柱同一监测点土体增湿过程(表3)同样随干密度变化存在正相关性，原因是干密度变化改变了土体内部孔隙含量及大小，土体增湿过程中内部气体逸出通道变窄不易扩散[18]，导致同一监测点的土体增湿过程随干密度增大而有所减缓。

表3 不同干密度下监测点压实黄土增湿历时Table 3 Moisturization duration of compacted loess at monitoring points under different dry densities

3 干密度对压实黄土渗透性能影响

为对比分析压实黄土受干密度影响下的渗透性能变化，可借助不同干密度状态下饱和/非饱和渗透系数表示。

3.1 非饱和渗透系数变化规律

由于积水入渗过程中土柱内部湿润土体与未湿润部分存在明显界线(图8)，因此可通过湿润锋前进法(wetting front advancing method，WFAM)[19]对非饱和状态下的压实黄土进行渗透系数求解，公式为

图8 湿润锋位置Fig.8 Location of the wet front

(1)

式(1)中：k为积水入渗t1—t2时段的渗透系数平均值，cm/s；h为监测截面至土柱顶部距离；θ(h,t1)、θ(h,t2)分别为监测截面处t1及t2时刻的体积含水率；θ0为对应土柱的初始体积含水率；γw为水的重度；v为t1—t2时段湿润锋的平均前进速率；Ψ(h,t1)、Ψ(h,t2)分别为监测截面在t1和t2时刻的基质吸力，kPa；取Δt=t2-t1=5 min。

通过预先埋设的水势传感器与水分传感器，对不同干密度状态下的压实黄土土-水特征曲线数据点进行测定(图9)。由图9可知，干密度越大，压实黄土内部基质吸力会随体积含水率变化而更加敏感。利用VG(van genuchten)模型[20][式(2)]对不同干密度状态下的数据点进行拟合，拟合参数见表4。

表4 压实黄土土-水特征曲线拟合参数Table 4 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of compacted loess

图9 不同干密度压实黄土土-水特征曲线Fig.9 Soil water characteristic curve of compacted loess with different dry densities

(2)

式(2)中：θs和θr分别为饱和体积含水率及残余体积含水率；a、n、m为拟合参数，m=1-1/n。

此外，不同干密度压实土柱湿润锋前进速率在积水入渗初期变化较大，随着积水入渗历史的增加而逐渐趋于稳定(图6)，因此，选取监测深度H=40 cm的传感器监测数据对非饱和状态下的压实黄土渗透系数进行求解，数据点分布如图10所示。

图10 不同干密度压实黄土非饱和渗透系数Fig.10 Unsaturated permeability coefficient of compacted loess with different dry densities

非饱和状态压实黄土渗透系数随体积含水率变化(19.3%～40.4%)主要分布在10-9～10-4cm/s，随体积含水率的增大而增大，跨越了5个数量级。其中，当体积含水率介于20%～30%时，干密度对压实黄土渗透系数影响不明显，且渗透系数随体积含水率变化相对平缓；当体积含水率大于30%时，同一体积含水率下干密度越大渗透系数越小，k1.45>k1.55>k1.65，渗透系数随体积含水率变化较为剧烈。这是因为当土体含水率较低时，受基质吸力影响，水分主要通过土中微孔隙运移，而干密度变化对土中微孔隙影响较小，从而致使该阶段土体渗透性能差别不大；当含水率逐渐升高，基质吸力减小，微孔隙接近饱和，水分逐渐进入孔径相对更大的孔隙中，干密度越小，该阶段中的孔隙含量越高，越有利于水分运移，渗透性能越好[14]。由图7可知，积水入渗过程中土体与上部水分接触时会在相对较短的时间内快速发生变化，土体体积含水率增大，进而非饱和渗透系数随干密度的不同发生快速分化，致使不同干密度下的压实土柱积水入渗特征产生差异性变化。

3.2 饱和渗透系数变化规律

当压实土柱底部开始出水，且连续24 h的单位时间下出水量恒定时，认为土柱增湿已达到稳定状态。由于积水入渗试验自始至终水头保持恒定(10 cm)，因此可通过常水头法对稳定状态下的渗透系数进行计算，公式为

(3)

式(3)中：A为土柱横截面积，cm2；H为土柱高度，cm；Q为Δt时段内的累计入渗量(出水量)，cm3；hw为水头高度，cm。

通过对比发现(图11)，利用常水头积水入渗测得的稳定渗透系数与通过抽饱和变水头实测的饱和渗透系数ks随干密度变化趋势相同，均随干密度增大而减小，其中土柱稳定时的渗透系数值均低于饱和状态值，这是因为积水入渗过程中压实黄土增湿至稳定时并未达到饱和，土体内部存在一定量不能自由排出的封闭气泡对水分运移起到阻碍作用，单位渗流截面内水分通过面积减小，致使渗透性能与实际饱和状态存在差异。但总体而言不同干密度状态下的压实黄土饱和渗透系数值与积水入渗值均分布在同一个数量级内，较为接近，因此一般情况下可近似认为常水头积水入渗下的稳定渗透系数等于饱和渗透系数。

图11 不同干密度压实黄土饱和渗透系数Fig.11 Saturated permeability coefficients of compacted loess with different dry densities

4 结论

(1)压实黄土干密度变化对土体积水入渗特性影响显著，干密度越大，相同积水入渗时段累计入渗量越小，湿润锋前进距离越短。

(2)随积水入渗进行，入渗率与湿润锋前进速率先迅速减小后逐渐趋于稳定，压实黄土干密度变化与入渗率和湿润锋前进速率存在负相关性，干密度对入渗率影响随积水入渗时间推移逐渐减弱。

(3)积水入渗过程中，土柱体积含水率由浅至深依此递增，同一深度相邻传感器间土柱干密度越大，传感器响应时间间隔越长，对应监测点土体干密度越大，增湿过程越缓慢。

(4)压实黄土增湿过程中，渗透系数逐渐增大，主要分布在10-9～10-4cm/s，当体积含水率介于20%～30%时，渗透系数受干密度影响不明显；当体积含水率大于30%时，干密度越大渗透系数越小；当压实黄土增湿至稳定时，土体并未达到饱和，渗透系数近似等于饱和渗透值。