非飽和土調(diào)壓吸水實驗儀的研制與應用

王念秦，王慶濤，薛 茜

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710061)

在黃土高原地區(qū)常常因為降雨、灌溉造成地下水位抬升，進而引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災害，黃土中的水分遷移與地質(zhì)災害的發(fā)生有著密不可分的關(guān)系，因此探索水—土作用過程和方式具有較高的實際應用價值。國內(nèi)外關(guān)于非飽和滲流方面的研究已經(jīng)有很多，比如許建等[1]進行了恒溫狀態(tài)重塑土開放系統(tǒng)水分遷移試驗，結(jié)果土柱的含水量基本表現(xiàn)出由底部向頂部逐漸減小的趨勢；Wastson[2]提出的原位瞬態(tài)剖面試驗方法適用于地下水位較深和非均質(zhì)土的情況，可求取滲透系數(shù)與體積含水量的關(guān)系；于得芬等[3]根據(jù)資料仿制了適用于室內(nèi)的水頭法和降水頭法土壤飽和導水率測定裝置，但裝置比較復雜且占地面積大；吳勝軍等[4]研制的變水頭壓力滲透儀，可進行不同荷載條件下黏性土滲透系數(shù)的測定；劉亞敏等[5]對滲透桶法進行了改進，可明顯減輕工作強度、提高試驗精度；張志清[6]通過分析寧夏路基黃土顆粒組成和化學成分，對其水理特性進行了深入研究，探討了路基黃土滲透和濕陷的發(fā)展規(guī)律；王輝等[7]研究了干密度對黃土滲透系數(shù)的影響，以及原狀黃土滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律。盡管國內(nèi)外在滲流試驗儀器研制、土壤滲流機理研究等方面已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗，但對瞬態(tài)滲流場的研究，無論是在試驗理論、試驗過程，還是在研制理想的、有效的、結(jié)合實際的室內(nèi)、室外試驗設(shè)備方面都存在不足，比如實驗室多采用一維土柱和滲流槽，試驗對象多采用重塑試樣，尤其是模擬地下水位抬升與黃土災害關(guān)系的試驗研究較少；此外，試驗假設(shè)條件與實際出入較大、操作不便、測試結(jié)果可靠性差、自動化程度不高等問題也急需改進。為了探索非飽土滲流模式及滲流規(guī)律，筆者嘗試針對地下水位抬升情況下的非飽和土—水作用模式進行試驗設(shè)備研制。

1 試驗原理

黃土是典型的非飽和土，具有極其特別的水敏性。針對地下水位抬升情況，考慮非飽和滲流和毛細力的貢獻，探索地下水位變化對黃土斜坡穩(wěn)定性的影響過程，這不僅是研究黃土災害屬性的重要環(huán)節(jié)，而且是研究非飽和土—水作用過程與方式的理論基礎(chǔ)。1931年Richard研究指出非飽和土中水的流動仍符合達西定律[7]，水呈非恒定流動狀態(tài)時，因水頭或水勢沿流程呈非線性變化，達西定律須以微分形式表示，即

(1)

式中：q為滲流速度，m/s；K為滲透系數(shù)，m/s；H為總水頭或總水勢，m；L為滲流路徑的直線長度，m。

黃土的毛細孔隙系統(tǒng)實際上是形狀和大小復雜多變的管道體系，可近似將其視為一束圓管系統(tǒng)，圓管直徑等于孔隙的平均直徑D。土壤孔隙中的彎液面可近似看作圓管彎液面，在土、水、氣三相交界處形成彎液面，產(chǎn)生毛細現(xiàn)象。試驗側(cè)重研究非飽和土垂向毛細作用規(guī)律，毛細水彎液面上升至某一高度，在此瞬間彎液面的上升速度為

(2)

式中：u為彎液面瞬間上升速度，m/s；K為滲透系數(shù)，m/s；n為孔隙度；Pc為毛細水上升最大高度，m；l為某時刻水柱高度，m；I為結(jié)合水阻力，N。

2 設(shè)備研制

2.1 設(shè)備組成

基于對前述土—水作用過程的認識，設(shè)計非飽和土調(diào)壓吸水實驗儀如圖1所示。實驗儀主要由補水裝置和滲流(取樣)裝置兩部分組成。補水裝置為改進的馬氏瓶，為便于觀測，滲流(取樣)裝置采用透明的有機玻璃筒。

(注：實線框內(nèi)為補水裝置，虛線框內(nèi)為滲流(取樣)裝置，其中①、③為玻璃導管，②為有機玻璃筒，④為硅膠漏斗，⑤為鐵絲網(wǎng)，⑥為鐵箍，⑦為紗布，⑧為取樣筒及試樣筒，⑨為透水板)

(1)基于馬氏瓶定水頭供水原理，在設(shè)計補水裝置時對馬氏瓶進行了改進，改進后的補水裝置主要由閥門、玻璃導管、有機玻璃筒組成。有機玻璃筒兩端封閉，在底部直徑兩端各打一小孔，在頂部中心打一圓孔插入玻璃導管。

(2)滲流裝置主要由有機玻璃筒、鐵箍、硅膠漏斗、鐵絲網(wǎng)、透水板、紗布、玻璃導管組成。滲流(取樣)裝置采用圓柱形的有機玻璃筒，底部由上至下依次放置紗布、透水板、鐵絲網(wǎng)及硅膠漏斗口，并用鐵箍將硅膠漏斗和鐵絲網(wǎng)與試樣筒底部箍緊。有機玻璃是一種綜合性能優(yōu)良的合成材料，其透明性好、機械強度高、密度小、易于加工的特性可以滿足試驗需求。取樣時，剖開黃土新鮮面，整平工作面，在取樣筒及試樣筒內(nèi)部均勻涂抹一層凡士林并垂直放于工作面，邊削邊壓，不擾動試樣，直到試樣高度達到設(shè)計尺寸，用保鮮膜密封，放入保濕器。

(3)試驗臺主要由試驗桌、鐵架臺組成，鐵架臺用于固定和支撐補水裝置和滲流裝置，使其固定在適宜高度。

2.2 設(shè)備功能

利用根據(jù)馬氏瓶原理制作而成的補水裝置模擬地下水并控制補水的水頭高度，可提供多個地下水力梯度。在玻璃筒內(nèi)裝入適量水后，將玻璃導管下口深入到液面以下，筒內(nèi)靜水壓力即為恒定，玻璃筒內(nèi)液體流出后筒頂形成真空，空氣只能從玻璃導管進入，玻璃導管下口即為接觸空氣點，因此只要液面不低于玻璃導管下口，玻璃導管口以上液面高度的增減將不影響靜水壓力，從而自動保持了流速的恒定，保證了試驗的真實性。同時，可調(diào)整玻璃導管下口的高度以提供多種恒定靜水壓力，通過玻璃導管從底部對被測土樣進行均勻補水，可以有效地模擬地下水位的升降，測試結(jié)果直觀、準確、穩(wěn)定，受外界測試環(huán)境因素影響較小。滲流裝置采用取樣設(shè)備與滲流容器一體化概念，將從取樣筒取回的試樣直接用于試驗中，有效防止了水沿容器壁上升，避免了取樣和試驗過程中對原狀土樣的擾動，使試驗數(shù)據(jù)更接近真實情況。滲流容器的透明性為直接觀察滲流鋒面的上升過程、滲流鋒面位移—時間對應參數(shù)創(chuàng)造了條件。試樣與透水板之間的紗布能有效防止土顆粒進入透水板，避免影響試樣吸水的均勻性。鐵絲網(wǎng)可將透水板有效固定在試樣底部，硅膠漏斗口與玻璃筒底部由鐵箍鎖緊不僅保證了氣密性，還可使水頭壓力均勻作用于試樣底部。

總之，非飽和土調(diào)壓吸水實驗儀具有精確控制地下水壓力水頭、提供多種恒定靜水壓力、直觀觀察滲流鋒面、獲得一系列水—土作用過程試驗數(shù)據(jù)等功能，試驗設(shè)備輕便、靈活，試驗過程直觀，試驗條件接近于真實情況，試驗方案多元化，能夠很好地與工程實際相結(jié)合，且測試結(jié)果準確穩(wěn)定，受外界測試環(huán)境因素的影響較小，能真實再現(xiàn)土體滲流過程。

2.3 試驗過程

在野外取樣及試驗準備工作就緒后開始試驗，流程如下：①將補水裝置及滲流裝置分別固定于鐵架臺上，在試樣底部依次放置紗布、透水板、鐵絲網(wǎng)、硅膠漏斗，并用鐵箍將鐵絲網(wǎng)、硅膠漏斗口與試樣筒底部鎖緊，玻璃導管一端與供水口連接，另一端與硅膠漏斗尖嘴連接，試驗裝置安裝完成。②將補水裝置進水口打開，關(guān)掉供水口和排氣口，由進水口向筒內(nèi)供水，并添加石蕊指示劑。供水至合適位置時關(guān)閉進水口，玻璃導管上口用橡皮塞密封，打開排氣口排氣至排氣口不再有水流出，關(guān)閉排氣口。③調(diào)整玻璃導管下口的高度，使其到試樣底部的垂直距離達到試驗預設(shè)定水頭高度值，去除玻璃導管上口的橡皮塞，開始試驗。④隨著時間的推移，觀察濕潤鋒面由底部逐漸向上遷移的過程，填寫“滲流過程”記錄表格。濕潤鋒面上升到試樣頂部時，即為試驗終態(tài)時刻，進行數(shù)據(jù)整理和分析。⑤更換另一組原狀試樣，調(diào)整玻璃導管下口的高度，使其到試樣底部的垂直距離達到其他預設(shè)定水頭高度值，重復步驟②③④，試驗結(jié)束。

3 實例應用

對非飽和土調(diào)壓吸水實驗儀進行無水頭壓力及定水頭壓力兩種給水條件下吸水(向上滲透)規(guī)律試驗的檢驗。取某地原狀馬蘭黃土試樣2組，共6件，分無水頭壓力(3件)及壓力水頭高度分別為2、5、8 cm等情況進行試驗，獲得滲流鋒面位移(H)與時間(T)的對應參數(shù)。通過滲流試驗，獲得某地馬蘭黃土在不同水頭壓力條件下滲流鋒面上升位移與時間的對應參數(shù)，以及距試樣底部5、10及15 cm處的土壤質(zhì)量含水率(表1)。

表1 某地馬蘭黃土試樣試驗前后含水率變化

基于一系列水—土作用過程中滲流過程的試驗數(shù)據(jù)，繪制某地馬蘭黃土無水頭壓力條件下吸水滲流鋒面H-T關(guān)系曲線(圖2)以及定水頭壓力作用下向上滲流鋒面H-T關(guān)系曲線(圖3)。由圖2可知，隨著吸水滲流鋒面高度的增加，吸水滲流速率呈減小趨勢。圖2、3中試樣的滲流特點(規(guī)律)相似，均存在快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個階段，但兩階段間拐點出現(xiàn)的時間略有差異。無水頭壓力和2、5、8 cm定水頭壓力條件下出現(xiàn)拐點的時間分別是30、26、22、15 min，拐點高度分別是10、13、15、16 cm，拐點高度以下平均吸水速率分別為0.46、0.58、0.65、1.31 cm/min。由表1可知，土柱吸水后含水率接近或超過液限且由下至上呈減小趨勢，3個試樣在同一高度處的含水率基本相同，這說明水頭壓力能夠改變滲流速率和快速滲流階段向上滲流的高度，對同一深度土樣的土壤含水率沒有影響。

圖2 無水頭壓力下滲流鋒面高度與時間的關(guān)系曲線

圖3 定水頭壓力下滲流鋒面高度與時間的關(guān)系曲線

試驗結(jié)果表明：滲流曲線分為快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個階段，快速滲流階段隨著地下水壓力水頭的增加滲流速率逐漸增大，趨穩(wěn)滲流階段地下水壓力水頭的變化對滲流速率基本無影響，滲流鋒面僅在毛細作用下繼續(xù)上升，符合自然滲流規(guī)律，驗證了試驗設(shè)備具有可操作性和可行性。

4 結(jié) 語

(1) 研制的非飽和土調(diào)壓吸水實驗儀可有效控制水頭壓力。取樣器與試驗容器一體化可避免試驗過程中的試樣擾動，同時解決了滲流試驗過程中水沿筒壁上升的問題。

(2) 無水頭或定水頭壓力條件下，向上滲流鋒面全滲程呈上凸形態(tài)。滲流過程存在快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個階段。

(3)水頭壓力變化僅對快速滲流階段有影響，隨水頭壓力的增加滲流速率增大，趨穩(wěn)滲流階段地下水壓力水頭的變化對滲流速率基本無影響，滲流鋒面僅在毛細作用下繼續(xù)上升。

(4)土柱含水率從下至上呈減小趨勢，且壓力水頭的變化對同一深度土樣的含水率沒有影響。

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