干濕循環(huán)對(duì)非飽和黃土滲透系數(shù)的影響研究

景 靜，孫 文，江肖鵬

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

西北地區(qū)黃土分布廣泛，且大多處于地下水位以上，是典型的非飽和土。已有研究表明，滲透系數(shù)是反映非飽和土的重要材料參數(shù)[1]，由于西北地區(qū)夏季降雨集中且環(huán)境溫度高，使得黃土不斷處于降雨入滲和水汽蒸發(fā)的循環(huán)過程中，導(dǎo)致黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終影響其滲透特性和力學(xué)性能[2]。因此，研究干濕循環(huán)條件下非飽和黃土滲透系數(shù)的變化規(guī)律對(duì)解決西北地區(qū)各類巖土工程問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基質(zhì)吸力是區(qū)分飽和土和非飽和土的重要指標(biāo)，在研究非飽和土滲透系數(shù)時(shí)，必須考慮基質(zhì)吸力和體積含水量的關(guān)系。Rahardjo等[3]通過試驗(yàn)確定了不同粒徑壓實(shí)混合土的土-水特征曲線(soil-water characterisitic curve，SWCC)，發(fā)現(xiàn)干密度和粒徑分布均會(huì)影響SWCC的擬合參數(shù)；Sleep等[4]發(fā)現(xiàn)壓實(shí)黏土的基質(zhì)吸力較小時(shí)，土體的滲流速度更快；趙茜等[5]通過三軸滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)和凍融循環(huán)同時(shí)作用時(shí)，干濕循環(huán)發(fā)揮主導(dǎo)作用，凍融循環(huán)發(fā)揮促進(jìn)作用；劉奉銀等[6]和趙天宇等[7]通過對(duì)非飽和黃土進(jìn)行干濕循環(huán)條件下的SWCC試驗(yàn)，提出了干濕循環(huán)條件下SWCC的滯回特性規(guī)律；趙文博等[8]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)非飽和壓實(shí)黃土試樣的滯回圈會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸變?。籞hang等[9]提出表征土壤滲透系數(shù)函數(shù)的3個(gè)基本指標(biāo)分別為收縮曲線、體積含水量和飽和滲透系數(shù)；劉奉銀等[10]利用非飽和土水氣運(yùn)動(dòng)聯(lián)合測試方法得到非飽和黃土滲透函數(shù)，同時(shí)考慮濕度和密度對(duì)滲透函數(shù)的綜合影響；文杰等[11]通過瞬態(tài)剖面法對(duì)黃土地基進(jìn)行降雨入滲監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)黃土的非飽和滲透系數(shù)與體積含水率之間符合指數(shù)關(guān)系；馬亞維等[12]和褚峰等[13]通過研究表明非飽和黃土滲透系數(shù)隨干密度的增大而減小，且當(dāng)體積含水率接近殘余含水率時(shí)，不同干密度下黃土的滲透性基本保持不變；劉宏泰等[14]通過試驗(yàn)證實(shí)滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大；Yan等[15]研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)條件下黃土的大孔體積比例顯著增加，中小孔和微孔比例則保持不變。

目前，相關(guān)研究多集中于干濕循環(huán)等因素對(duì)SWCC的影響，鮮有利用滲透系數(shù)的預(yù)測模型進(jìn)一步研究非飽和黃土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。本文基于前人對(duì)土-水特征曲線及滲透系數(shù)的研究，以重塑非飽和黃土為研究對(duì)象，采用土-水特征曲線試驗(yàn)結(jié)合非飽和滲透系數(shù)預(yù)測公式，探索不同干密度和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)非飽和黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃土取自甘肅省通渭地區(qū)(土樣代號(hào)為H)，為保證試驗(yàn)用土的有效性和均勻性，黃土試樣均取自地表以下約6 m處。所取黃土試樣外觀顏色為黃褐色，土體較為松散，孔隙發(fā)育豐富。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，得出該地區(qū)黃土的基礎(chǔ)物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 黃土試樣基礎(chǔ)物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

黃土飽和滲透系數(shù)的測定選用TST-55滲透儀。首先使用滲透儀提供的環(huán)刀直接制樣，然后將試樣放入飽和器中抽氣至飽和狀態(tài)，最后使用變水頭滲透儀測量經(jīng)過干濕循環(huán)0、1、2、5次后飽和試樣的滲透系數(shù)。

土-水特征曲線試驗(yàn)選用Fredlund和GCTS公司聯(lián)合研制的土-水特征曲線壓力儀(見圖1)進(jìn)行。該儀器使用軸平移技術(shù)，通過跟蹤含水量、測量體變管體積變化，利用雙壓力表和調(diào)節(jié)閥精確控制壓力，獲取土-水特征曲線。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測得黃土最大干密度為1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.3%，采用相同擊實(shí)功在不同含水率下制備不同干密度的黃土試樣。相關(guān)研究表明[12]，土體在經(jīng)過3次干濕循環(huán)后的性質(zhì)基本趨于穩(wěn)定，因此本次試驗(yàn)測定了干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1、2、5次后的黃土試樣的土-水特征曲線。詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

圖1 GCTS土-水特征曲線壓力儀

表2 土-水特征曲線試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土-水特征曲線

在非飽和土土力學(xué)中，通過研究土-水特征曲線，可以對(duì)非飽和黃土水力特性的眾多參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。研究非飽和土滲透系數(shù)，需要將土-水特征曲線設(shè)想為充水孔隙形狀的指標(biāo)[16]。為了定量表征非飽和黃土水力特征與土-水特征曲線的關(guān)系，選用van Genuchten模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[17]，擬合方程為：

(1)

式中：θw為體積含水量；θr為殘余含水量，取值為θr=10-5；Ψ為基質(zhì)吸力，kPa；θs為飽和體積含水量；a為進(jìn)氣值函數(shù)的土性參數(shù)，kPa-1；b為基質(zhì)吸力超過土的進(jìn)氣值時(shí)土中水流出率函數(shù)的土性參數(shù)，kPa-1。

選用van Genuchten模型對(duì)未經(jīng)過干濕循環(huán)的不同初始干密度非飽和重塑黃土試樣進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖2。

圖2 不同初始干密度非飽和重塑黃土試樣土-水特征曲線

由圖2可以看出，相同基質(zhì)吸力條件下試樣的體積含水量隨著干密度的增大而減小，當(dāng)基質(zhì)吸力在0～100 kPa時(shí)該變化趨勢更加明顯，說明在該條件下，體積含水量對(duì)基質(zhì)吸力的變化比較敏感。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：土體結(jié)構(gòu)的緊密性由干密度決定，干密度小的土體中含有較多大孔隙，當(dāng)基質(zhì)吸力開始作用于土體時(shí)，大孔隙的存在使土樣易于失水。大孔隙數(shù)量隨著土體干密度的增大逐漸減少，形成較多連通性較差的中小孔隙，導(dǎo)致土體的失水速率減小，使基質(zhì)吸力增大，體積含水量幾乎不再改變，此時(shí)土體中體積含水量達(dá)到殘余含水量θr。

土-水特征曲線在反映土體基質(zhì)吸力與體積含水量關(guān)系的同時(shí)，也反映了土體的孔隙狀態(tài)。已有研究表明，初始干密度及干濕循環(huán)次數(shù)均對(duì)土-水特征曲線有較大的影響，二者通過影響土體的孔隙結(jié)構(gòu)，影響土-水特征曲線的變化趨勢。各試驗(yàn)方案黃土試樣van Genuchten模型擬合參數(shù)見表3，由表3可見，各擬合曲線的決定系數(shù)R2均高于0.97，說明可以利用此模型對(duì)該地區(qū)黃土進(jìn)行擬合。

表3 各試驗(yàn)方案黃土試樣土-水特征曲線擬合參數(shù)

土體試樣干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土-水特征曲線的影響如圖3所示。

圖3 土體試樣干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土-水特征曲線的影響

由圖3可看出，當(dāng)土體試樣進(jìn)行5次干濕循環(huán)后，其體積含水量減少了20%，且在基質(zhì)吸力較小時(shí)含水量減少速率較快，隨著基質(zhì)吸力的增大，含水量減小速率變緩最終趨于穩(wěn)定。結(jié)合表3分析原因：未經(jīng)干濕循環(huán)的土體殘余含水量θr較高，此時(shí)土體具有良好的持水性能及較高的進(jìn)氣值(a值)；經(jīng)過幾次干濕循環(huán)后θr明顯降低，土體的持水性能變差，這是進(jìn)氣值降低導(dǎo)致的結(jié)果[18]。

當(dāng)基質(zhì)吸力大小相同時(shí)，由于土樣的脫濕吸濕過程均影響土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致試樣兩個(gè)過程的體積含水量并不完全相同。圖3所示土-水特征曲線表現(xiàn)出明顯的滯回效應(yīng)，且滯回圈的大小隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。隨著土體脫濕過程的進(jìn)行，土體中水分逐漸排到土體外部，使得土顆粒間的孔隙大小發(fā)生變化；土體在吸濕過程中，由于水分的增加導(dǎo)致土體內(nèi)部膠結(jié)物溶解，土顆粒間的相對(duì)位置發(fā)生變化，改變了土體原有的狀態(tài)。干濕循環(huán)過程導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，最終土樣的原有性質(zhì)發(fā)生改變，使得經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的土-水特征曲線表現(xiàn)出不同的變化趨勢。但上述影響會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而削弱，5次干濕循環(huán)過后，土-水特征曲線的變化趨勢趨于一致。

3.2 非飽和滲透系數(shù)預(yù)測

基于上述van Genuchten模型擬合所得土-水特征曲線，將曲線沿縱軸分為20等分，將每一等分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力用于計(jì)算非飽和滲透系數(shù)，計(jì)算方法如公式(2)～(4)：

(i=1,2,…,20)

(3)

(i=0,1,…,20)

(4)

式中：kw(θw)i為對(duì)應(yīng)于第i等分體積含水量(θw)i確定的滲透系數(shù)，m/s；ks為實(shí)測飽和滲透系數(shù)，m/s；θs為飽和體積含水量；Ad為調(diào)整系數(shù)，m·kPa2/s；ksc為飽和滲透系數(shù)，m/s；Ts為水的表面張力，kN/m；p為考慮不同尺寸孔隙間相互影響的常數(shù)，取值為p=2.0；g為重力加速度，m/s2；ρw為水的密度,kg/m3；N為飽和體積含水量θs與零體積含水量之間的總等分?jǐn)?shù)；(ua-uw)j為相應(yīng)于j等分的基質(zhì)吸力，kPa；i為等分編號(hào)；j為從i到20的計(jì)數(shù)。

按照上述步驟計(jì)算得到重塑黃土試樣在不同初始干密度、不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，體積含水量和基質(zhì)吸力分別對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)。結(jié)合van Genuchten模型和Childs &Collis-Geroge模型，可以預(yù)測黃土的非飽和滲透系數(shù)。

不同試驗(yàn)方案重塑黃土的飽和滲透系數(shù)如表4所示，不同初始干密度非飽和黃土試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

表4 重塑黃土飽和滲透系數(shù) 10-6

圖4 不同初始干密度非飽和黃土試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律

由圖4可以看出，試樣非飽和滲透系數(shù)隨著初始干密度的增大而減小。這是由于土樣由大孔隙和毛管孔隙組成[19]，其中大孔隙在滲流過程中起主要作用；初始干密度小的試樣中含有較多大孔隙，當(dāng)基質(zhì)吸力作用于土體時(shí)，試樣開始向土體外部排水，大孔隙儲(chǔ)水能力比較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)較大。隨著試樣初始干密度的增大，土樣中的毛細(xì)管孔隙數(shù)量增多，試樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)排列更加緊密[20]，土骨架中的孔隙比減小，試樣的保水能力變強(qiáng)，排水速率減小，最終呈現(xiàn)出隨試樣初始干密度增加，非飽和滲透系數(shù)減小的規(guī)律[21]。

非飽和黃土試樣滲透系數(shù)與體積含水量及基質(zhì)吸力關(guān)系的擬合曲線如圖5、6所示。

由圖5、6可見，滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大呈現(xiàn)出減小的趨勢，當(dāng)基質(zhì)吸力增大到一定程度時(shí)，非飽和黃土試樣滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定(滲透系數(shù)隨體積含水量的變化趨勢與之相反)。產(chǎn)生這種規(guī)律的原因在于，孔隙中氣體成分的含量隨基質(zhì)吸力的不斷減小而降低，使水分在土體內(nèi)部的流動(dòng)速度加快，土體內(nèi)部含水量顯著增加，因此滲透系數(shù)可以不斷增大至飽和滲透系數(shù)。通過擬合發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)非飽和黃土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力和體積含水量的關(guān)系符合形如y=y0+ae-x/b的指數(shù)函數(shù)形式。

圖5 非飽和黃土試樣滲透系數(shù)與體積含水量關(guān)系的擬合曲線 圖6 非飽和黃土試樣滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系的擬合曲線

相同干密度的黃土試樣經(jīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)脫濕和吸濕后，其滲透系數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。圖7表明，非飽和黃土試樣滲透系數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。結(jié)合文獻(xiàn)[22]、[23]分析其原因：首先，干濕循環(huán)過程使外部水分進(jìn)入到土體內(nèi)部，隨著小孔、微孔數(shù)量占比的增加，孔隙分布更加均勻，逐漸在土體內(nèi)部形成“水分通道”，土體滲透性增強(qiáng)；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣中小孔隙逐漸有向大孔隙發(fā)展的趨勢，土體的滲透系數(shù)穩(wěn)定上升；其次，試樣的孔隙中存在能夠阻止水分交換流動(dòng)作用的氣體，當(dāng)體積含水量減小時(shí)，孔隙中的氣體含量增加，土體內(nèi)部水分消散變緩，同時(shí)外部水分不容易進(jìn)入到土體內(nèi)部，當(dāng)干濕循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后，土體的性質(zhì)趨于穩(wěn)定，非飽和滲透系數(shù)基本保持不變。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)非飽和黃土試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)不同初始干密度、不同干濕循環(huán)次數(shù)的非飽和黃土進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)，結(jié)合Childs &Collis-Geroge模型對(duì)重塑非飽和黃土滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，得到以下結(jié)論：

(1)研究地區(qū)非飽和黃土滲透系數(shù)隨初始干密度的增大而減小，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

(2)非飽和黃土滲透系數(shù)與體積含水量及基質(zhì)吸力均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(3)研究地區(qū)黃土的土-水特征曲線存在明顯的滯回特性，且“滯回圈”隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。

(4)將土-水特征曲線和Childs &Collis-Geroge滲透系數(shù)模型結(jié)合的方法可以很好地描述和預(yù)測非飽和黃土的滲透系數(shù)。

喜 訊

《水資源與水工程學(xué)報(bào)》被中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(Chinese Science Citation Database，簡稱CSCD)收錄為2019-2020年度來源期刊(核心庫)；2008-2020年連續(xù)13年被中國科學(xué)技術(shù)信息研究所評(píng)為中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊(中國科技核心期刊)。