压实膨胀土入渗特征试验研究

摘要：

为研究不同压实度变化下膨胀土入渗特征及规律，通过自制亚克力桶实验装置，以不同干密度膨胀土为研究对象，开展一维竖向膨胀土柱渗流试验，分析其对膨胀土水分运移规律的影响。结果表明：① 入渗速率、湿润锋前进速率与膨胀土压实度呈负相关，即在相同入渗时间内，随着压实度的增大，累积入渗量减少，湿润锋向前推进的距离减小；② 各测点含水率的变化规律相似，均有平稳、迅速增长、达到高峰、保持平稳4个时期；③ 随着水分入渗土柱产生膨胀，土柱顶部膨胀量大，底部膨胀量小，膨胀现象与湿润锋前进响应一致，但膨胀现象存在滞后，且与压实度呈正相关。研究成果对于理解膨胀土的入渗特性和规律具有重要意义。

关键词：

膨胀土； 垂直入渗； 干密度； 湿润锋； 模型试验

中图法分类号：TU443

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.017

文章编号：1006-0081（2025）01-0096-08

0 引 言

膨胀土矿物组成以蒙脱石、伊利石等为主，具有显著的胀缩性、裂隙性、超固结性等典型性质，可能对基础设施等造成危害。膨胀土灾害主要是由其失水收缩与吸水膨胀导致［1］。在自然状态下，膨胀土通常具有较高的强度，一般不会产生破坏作用，但对周边的水分、温度等环境因素十分敏感。大量工程案例表明，膨胀土失稳破坏多发生在雨季，降雨渗透不仅会增加土体的重度并减弱其抗剪强度，还会引发土体的额外膨胀变形和膨胀压力，导致下滑力增加，进而引发膨胀土体渐进性浅层不稳定破坏［2-3］。因此，研究膨胀土入渗特性和稳定性，对工程和土力学领域具有重要意义。不同压实度对膨胀土的渗透特性影响是一个关键问题。许英姿等［4］通过使用压力板仪试验和变水头渗透试验，探究了不同压实度对膨胀土渗透性的影响。胡瑾等［5］进行了不同荷载和干湿循环作用下的试验，以确定膨胀土在不同荷载和干湿循环条件下的胀缩变形规律，以及膨胀土水渗透系数和气渗透系数的变化规律。Toll，Gatmiri，Habibagah等［6-8］的研究表明，膨胀土土体的含水率差异对膨胀土的膨胀收缩变形量有显著的影响。吴飞亚等［9］通过室内试验、理论分析等手段，分别对重塑土与原状土渗透性能、膨胀实验数据结果进行研究，并分析总结膨胀土渗透及膨胀特性规律。贺雷等［10］通过进行土水特征曲线试验和饱和渗透试验，得到不同干密度下的非饱和膨胀土渗透系数与基质吸力、体积含水量之间的变化规律。袁俊平等［11］通过膨胀土单向浸水膨胀试验，研究了单向浸水条件下膨胀土的膨胀时程特性。叶云雪等［12］以南阳中膨胀土为研究对象，通过室内一维膨胀特性试验和土水特性试验探究不同初始状态（包括吸力、含水率和干密度等）影响下非饱和重塑土膨胀率或膨胀力的演化规律。

尽管大量文献对膨胀土的渗透特性进行了深入研究，但是大多集中在特定条件下的实验室试验，对于膨胀土在实际工程中的表现还需进一步验证；此外，对于膨胀土的渗透性影响因素的综合考虑仍然有待加强，例如土体的微观结构对渗透性的影响等。此外，在不同环境条件下膨胀土的渗透特性变化规律也需要深入探讨。

干密度是影响土壤中水分渗透的重要因素，需要深入分析其对膨胀土水分运移规律的影响。本文通过开展一维膨胀土柱渗流试验，研究膨胀土的入渗和变形及特征。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验所用土样的物理指标见表1。土样取自河南南阳东部社旗县泥河赵村，膨胀土地理位置及造成的危害如图1所示。试验用土为重塑土，液限、塑限分别为54.2%，24.9%。由自由膨胀率可知试验土样为弱膨胀性膨胀土。在制备样前将土样暴晒使其干燥，碾碎后过2 mm的筛，然后配置10%含水率的土样，放入亚克力箱子中静置24 h，保证土样中水分均匀分布。

1.2 试验设备

本次一维土柱模型试验是由自制的圆柱体亚克力桶、水分传感器与采集器、带自动记录数据的称重机和供水系统组成（图2）。亚克力桶为上部开口，下部装有出水口，柱身内径360 mm，高800 mm，壁厚10 mm，桶底部放置透水板内径370 mm，厚5 mm。在距离桶底10，20，30，40 cm的位置分别设置4个大小一致的钻孔用于埋设水分传感器。从土体表面开始向下每5 cm在桶壁设置蓝色位移标志物。桶顶部放置进水管，在桶上部开孔排水，旁边放储水桶，内部通过潜水泵形成水循环系统，保持定水头。将电子称重机放置于水桶之下，记录水桶的质量变化，计算入渗量。通过水分传感器、沉降标志物，对试验过程中的含水率、水入渗量和竖向位移进行监测。

1.3 试验方法

试验采用压实度为90%、直径360 mm、高600 mm的圆柱形土样。装填土柱模型时，在亚克力桶的底部透水板上铺设一层透水滤纸，以防止上部土颗粒进入透水板，影响土柱的透气性与透水性。土样装填以及标志物、传感器安置具体步骤如下。

（1） 设定压实膨胀土的初始含水率为15.6%，分别控制土样的干密度（ρd）为 1.52 g/cm3与1.62 g/cm3，保证膨胀土土体均匀，透气性一致。分6层，每一层分别需要15.46 kg（1.52 g/cm3）与16.48 kg（1.62 g/cm3）的土，倒入亚克力桶里，并用夯土器夯实。对装填好的膨胀土表面进行刮毛处理，继续倒入下一层膨胀土装填，重复上述步骤直至土柱完成。

（2） 在亚克力桶壁上，每隔5 cm竖直设置一个蓝色标志物，共计10个，同时在标志物旁边放置卷尺，以便测量和观察。土柱装填完成后，在土柱的上部铺设透水滤纸，以防止水在不断的循环中对土柱表面造成冲刷，从而影响试验。

（3） 土柱制作完成后，其中在距离柱底5，20，35，50 cm位置分别插入水分传感器并记相应含水率为W1，W2，W3，W4，调试水分传感器至读数稳定。

（4） 开启水循环系统，土柱上部蓄水至10 cm固定水头，控制水头稳定，进行定水头的膨胀土渗水试验。土柱试验入渗开始时，通过电子称重机每5 min测量记录土柱的质量变化，得到每个时间段的入渗量。

（5） 在试验过程中观察到湿润锋的不断向下运动，分析入渗深度、累计入渗量，记录观察膨胀土土柱水分在不同时刻的变化以及不同位置标志物的位移情况。持续进行试验，直至土柱底部的排水管流出稳定的水流，然后停止试验。

2 试验结果

2.1 入渗变化

2.1.1 水量累计入渗量和入渗率的变化

通过试验分别绘制不同干密度膨胀土水量累计入渗量及入渗率随时间的变化曲线。① 在试验开始时记录两个对照试验下的水量累计入渗量随时间变化的曲线（图3），由曲线可知干密度越小的水量累计入渗量更大并且入渗时间更短。② 水量入渗速率随时间的变化曲线如图4所示，干密度小（图4（a））的入渗速率大于干密度大（图4（b））的组，且入渗结束时间也越短。

2.1.2 体积含水率随入渗时间变化

不同干密度下水分渗透至监测点所需时间见表2，对比在不同密度下到达4个水分传感器的时间，可以看出，1.52 g/cm3与1.62 g/cm3土样到达相同位置所需的时间存在明显差异，而且随着入渗深入，到达相同距离水分传感器所需的时间差异变得更加显著。

不同深度体积含水率随入渗时间的变化曲线见图5，1.52 g/cm3与1.62 g/cm3土样的体积含水率随入渗时间的变化曲线趋势相似。当水分到达传感器，含水率急剧增加，随后经过一段时间，增长趋势减缓，直至水分完全透过传感器，含水率数值保持稳定。由于干密度差异，两个不同干密度下的含水率随入渗时间变化曲线在时间轴上存在较大差距，干密度大的情况下所需时间更长。

2.2 入渗湿润锋前进变化

根据试验所得数据，制作不同干密度下湿润锋前进距离与速率随时间的变化曲线（图6）。不同干密度土样的湿润锋前进距离-时间曲线与湿润锋前进速率-时间曲线趋势一致，湿润锋前进距离随入渗时间的变化呈非线性增长，湿润锋的入渗速率都是由短时间内的快速入渗到速率逐渐下降至平稳阶段。随着密度增加，湿润锋前进时间延长，湿润锋前进速率下降。不同干密度下的变化曲线在时间上有较大的差距，干密度大的土样，其湿润锋到达相同距离水分传感器所消耗时间更长。

根据试验数据，制作了湿润锋每前进10 cm所需要的时间桥图（图7），其分别由增加的部分与总耗时组成。由湿润锋的前进变化可知渗流发展情况，密度越大的土柱，渗流到相同的位置所消耗的时间越长，总体渗流时间也越长。其中，增量代表了湿润锋面每向膨胀土土柱下前进10 cm的距离所用的时间，即渗流时间差。增量越小，每前进10 cm的时间消耗越短；增量越大，每前进10 cm的时间消耗越长，总计代表了湿润锋到达亚克力桶底部深度所消耗的总时间。

2.3 土柱膨胀变化

通过在试验前依次设置蓝色标志物进行土柱膨胀分析。绘制时间与膨胀关系曲线（图8），分析总结土柱不同位置的膨胀情况，其中8～10标志物未发生明显移动所以未绘制。

两个对照试验下的标志物中，上部标志物都先膨胀，随着水分入渗到下部；1.52 g/cm3试验组标志物发生了沉降，而1.62 g/cm3试验组未沉降，充分浸润后发生了一定的膨胀，最后趋于稳定。

3 讨 论

3.1 压实膨胀土入渗特征分析

3.1.1 水量累计入渗量与入渗率变化分析

水量累计入渗量变化与入渗率是反映膨胀土入渗

特性的重要指标，土体的压实度变化往往会导致土体内部孔隙压缩，而水分入渗能力主要是由土体孔隙的大小以及水孔隙间的流通性决定的，这同时也是确定膨胀土入渗特性的重要依据［13］。

水量累计入渗量的曲线随时间的变化呈非线性增长。为了进一步探究干密度对水分入渗率的影响，对图3数据进行拟合，结果如表3所示。两组不同干密度的拟合结果表明，水量累计入渗量（Q）随入渗时间（t）的变化关系式均呈幂函数形式。

由图3可得，不同干密度压实膨胀土累积入渗水量随时间的延长逐渐增加，且趋势相同。累积入渗水量在试验前期为快速增加阶段，中期为水量增量逐渐减小阶段，后期为匀速变化增长趋于稳定阶段。对照图4可得，在试验开始时，积水入渗前期，由于膨胀土土柱表层土体比较干燥，且重新装填土体颗粒之间孔隙较大，加水速率大，但是没有一开始即达到设定的10 cm固定水头高度。在入渗初期，土体含水率低，基质吸力较大，水分快速入渗填充土体孔隙，水量全部入渗至土柱中，前期的快速入渗阶段不受积水过程的影响，这个阶段的入渗速率理论上等于积水速率，为积水控制阶段。当积水高度到达设定的10 cm固定水头高度时，由于膨胀土表层土体饱和，表层孔隙被水填满，水量入渗速率快速减小。这一现象说明，水在往膨胀土土柱下方入渗的过程中，土体入渗能力减小，逐渐进入了土体入渗能力控制阶段，这一阶段的膨胀土实际入渗率达到了土体的入渗性能，也被称为非饱和入渗阶段。随着入渗深度的继续加深，水量入渗速率不断减小。当膨胀土土柱入渗速率到达饱和阶段后，入渗速率趋于稳定，这一阶段称为饱和入渗阶段［14］。

由图4可得，由于膨胀土土柱不同干密度的影响，水量入渗速率随时间的变化曲线存在差异［15］。对比发现，不同干密度下膨胀土土柱水量入渗速率随时间变化的趋势与水量累计入渗量相对应，干密度对于水量入渗速率有明显的影响，1.52 g/cm3与1.62 g/cm3的膨胀土土柱历时分别为3 d与7 d。造成这一现象的原因在于不同干密度的膨胀土土柱的变化使膨胀土的内部孔隙之间的连通性发生变化，干密度越大，相同单位的土体之间孔隙所占体积比例越小，孔隙之间的连通性越差，内部更加不容易排出气体，土体遇水容易产生封闭气泡，随着时间的推移，膨胀土土体内部产生越多封闭气泡（图9）。由于封闭气泡的存在，对水的阻碍性较大，封闭气泡在土体中的存在时间长短与土体的干密度有关，干密度越大，在土体的存在时间越长，对水的入渗影响越大［16］。干密度相同时，黏性土与砂性土相比，其中的封闭气泡对水分入渗的阻碍作用更加明显，1.62 g/cm3的膨胀土土柱的渗透性比1.52 g/cm3膨胀土土柱渗透性差，因此图3～4中入渗率与干密度呈现负相关性。

3.1.2 竖向水分入渗分析

通过观察不同位置的体积含水率变化，分析膨胀土土柱的浸水入渗过程。在试验中，由于水分是从上往下入渗的，因此水分传感器的响应也是依次发生的，与湿润锋的到达情况一致。如图5所示，不同干密度下体积含水率的变化趋势基本相同，经历平稳、迅速增长、达到高峰、保持平稳4个阶段。平稳阶段是因为水分尚未渗透到水分计位置，数值保持不变；快速增长阶段，水分到达水分计位置，体积含水率迅速增大，达到峰值［17］；保持平稳阶段，土体体积含水率达到饱和状态，不再增加，直至膨胀土底部出水口流水，试验结束。竖向水分入渗规律结果表明，干密度越大，水分入渗越缓慢，到达土柱深部所需时间也越长。

由表2可得，膨胀土的干密度越大，水分渗透到同一位置所需的时间越长。体积含水率与时间的关系（图5）表现为干密度与入渗时间存在正相关性，干密度的增大导致膨胀土的渗透性降低，水分的入渗能力减小，在相同定水头条件下同一时间的水分入渗率以及湿润锋的前进速率明显减小。

综上所述，膨胀土的干密度对入渗过程有显著影响。随着干密度的增加，水分的入渗速度减缓，特别是随着深度的增加，水分的入渗率进一步降低。

3.2 膨胀土柱湿润锋前进特征分析

为进一步探究湿润锋前进距离与时间关系，对获得的数据结果进行拟合，拟合结果如表4所示，两组不同干密度的拟合结果表明湿润锋前进距离（Z）随时间的变化均呈幂函数形式。

根据图6以及试验的现象分析，在试验过程中，随着时间的增加、湿润锋的运移，湿润锋向下前进深度曲线与水量累计入渗量曲线趋势相似，均是前期快速入渗，后随着入渗水量的增加以及入渗深度的变化，增量逐渐减小并趋于稳定。湿润锋的前进速率通过单位时间内的湿润锋前进距离表示出来，不同干密度（1.52，1.62 g/cm3）土柱的湿润锋前进距离曲线和湿润锋前进速率的曲线趋势都相似。

由图7可得，膨胀土土柱干密度的变化，对于相同距离膨胀土土柱的湿润锋前进时间影响明显，干密度为1.62 g/cm3的膨胀土土柱到试验结束所消耗的时间远大于干密度1.52 g/cm3膨胀土的时间。湿润锋前进速率也受到相同影响，这是因为较大的干密度导致膨胀土土柱中的孔隙含量减少，水分主要通过土体孔隙间的运动向下移动。由于后期的自重增加，土体会发生一定程度的湿陷沉降，再次减少孔隙率，增加土体密实度，从而阻碍了水分向下渗透，延长了入渗时间。具体表现为在同一时间点，湿润锋的移动距离减小，湿润锋的前进速度减缓。

综上所述，不同干密度的膨胀土对湿润锋的前进时间曲线和前进速率的趋势是一致的。但随着干密度的增加，湿润锋前进相同距离所需的时间也随之增加，特别是随着湿润锋前进深度的增加，前进相同距离所需的时间差距会进一步增大。

3.3 膨胀土柱竖向形变特征分析

通过图8的对比分析，可以发现在相同的干密度下，标志物的膨胀量呈明显变化趋势。在试验开始时，每个标志物的膨胀保持不变，随着水分的入渗，1号标志物首先开始膨胀，然后是其他编号的标志物。

1.52 cm3干密度的膨胀土1号标志物遇水先发生膨胀，膨胀量最大为0.9 cm，然后因下部土体发生沉降，牵引上部土体向下位移。2～6号标志物未遇水先发生膨胀，每隔一段时间观察记录，标志物湿润锋未到达，先发生膨胀，分析认为湿润锋虽然没有到达标志物，但是由于非饱和土粒间存在吸力［18］，一部分水分向下入渗，导致土体发生部分膨胀，水分由上至下依次渗透到标志物后，再次引起膨胀，并产生向上位移，随后由于上部土体的自重和水分重量，产生沉降。7号标志物由于上部土体的自重和水分重量，未发生膨胀，而只发生沉降作用。分析8～10号标志物所在的土层，认为由于上部每次分层夯土都进一步对下部的土体产生影响，使土体更加密实，水和土体自重的作用导致标志物发生位移不明显［19］。

干密度为1.62 g/cm3的1号标志物，膨胀量最大为1.6 cm，1～3号标志物依次发生膨胀，这是由于水分渗透到上部土体引起的膨胀效应，而这个膨胀效应会引发下部土体向上位移。由于干密度较大，膨胀量大于沉降量，因此在水分和土体自重的共同作用下，未发生沉降。4～6号标志物由于上部水分不断渗透和土体自重的作用，首先发生了一定程度的沉降，据试验数据观察分析，每隔一段时间观察记录，标志物湿润锋未到达，先发生膨胀，分析认为湿润锋虽然没有到达标志物，但是由于非饱和土粒间存在吸力［20］，一部分水分向下入渗，导致土体发生部分膨胀，水分由上至下依次渗透到标志物后，再次引起膨胀，直至膨胀稳定。在早期，7号标志物由于上部水分不断渗透和土体自重的作用，首先发生了一定程度的沉降；在试验进行到80 h时，水分渗透到标志物后，经过一段时间的浸润，发生膨胀，然后趋于稳定。对于8～10标志物所在的土层，由于上部每次分层夯土都使下部的土体更加密实，加之水及土体自重的作用，导致标志物位移不明显。

综上所述，在开始阶段，两个不同密度下的膨胀土都经历了膨胀。对于1.52 g/cm3的较小密实度下，土体在一段时间后，在水分渗透和自重的作用下被压缩并最终趋于稳定；下部土体受到自重和水分的影响，也经历了压缩。在1.62 g/cm3的密实度下，上部土体未发生压缩，持续膨胀，而下部土体因自重和水体重量的作用而受到压缩，但在水分浸润后又发生膨胀。相比于1.52 g/cm3，1.62 g/cm3的样品在相同的体积下需要更多的土体，导致分层装填时最底部的土体被进一步压实。分析认为，上部每次分层夯土都进一步使下部的土体更加密实，具有更高的抗压能力，因此其在受到上部土体自重和水分重量的影响下沉降变形不明显。密实度增加会减少土体的膨胀性，也会大幅减小膨胀变形。综合上述及试验数据观察分析，标志物没有发生明显沉降。

3.4 存在的不足

（1） 在湿润锋的初始测量阶段，由于水分迅速渗透，需要在短时间内进行快速且多次测量，人工无法在短时间内记录多次。

（2） 在标志物膨胀阶段，尽管模型桶表面已经涂抹了凡士林，但在填土和安装标志物的过程中仍然存在一定的摩擦力，导致标志物膨胀并产生摩擦力。

4 结 论

通过自主研发一维土柱垂直入渗试验装置，开展一维向下膨胀土柱渗流试验，得到以下结论。

（1） 不同干密度累计入渗量随密度增大而减小，水量累计入渗量随时间的变化均呈幂函数形式。

（2） 在浸水条件下，膨胀土土柱的入渗特征依次经历平稳、迅速增长、达到高峰、保持平稳4个阶段。干密度越大，这4个阶段的持续时间越长。

（3） 压实膨胀土土柱干密度对湿润锋入渗特征的影响明显，当干密度减小时，相同时间的段入渗率增大，湿润锋前进的距离增大；当干密度增大时，相同时间的段入渗率减小，湿润锋前进的距离减小，累计入渗量随时间的变化均呈幂函数形式。

（4） 不同干密度条件下的膨胀标志物位移表现出显著变化，干密度越大，最终膨胀量越大，达到最大值所需的时间也越长。此外，水分和土体自重对膨胀土土柱的影响较大。随着深度增加，膨胀土土柱受水和自重的影响增大，膨胀量略有减少。

（5） 在室内进行重塑膨胀土试验可能存在人工记录和测量误差。下一步可以采用现场原位试验的方式，在不破坏土体结构的前提下进行研究，并通过对比分析来进一步完善膨胀土的入渗研究。

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（编辑：高小雲）

Experimental study on infiltration characteristics of compacted expansive soil

WEN Jingyu，AN Mengqi，QIN Tian

（College of Geosciences and Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：

In order to study the infiltration characteristics and laws of expansive soil under different compaction degrees，the seepage test of one-dimensional vertical expansive soil column was carried out with different dry density expansive soil as the research object in a self-made acrylic barrel experimental device，and the influence of different compaction degrees on water transport in expansive soil was analyzed.The results show that： ① The infiltration rate，advancing rate of the wetting front，and the compaction degree of expansive soil were negatively correlated.Within the same infiltration time，as the compaction degree increased，the cumulative infiltration amount would decrease and the distance of the wetting front advancing would decrease.② The variation pattern of moisture content at each measuring point was similar，with four periods of steady，rapid growth，reaching peak，and maintaining stability.③ As water infiltrated into the soil column，it expanded with a larger expansion at the top and a smaller expansion at the bottom.The expansion phenomenon was consistent with the response of the wetting front，but there was a lag in the expansion phenomenon，which was positively correlated with the compaction degree.The research results can provide a reference for understanding the infiltration characteristics and laws of expansive soils.

Key words：

expansive soil； vertical infiltration； dry density； wetting front； model experiment