不同干密度壓實黃土垂直積水入滲特性

趙 樂，倪萬魁*，張鎮(zhèn)飛，王海曼，劉 魁

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,西安 710054)

近年來，黃土地區(qū)大量平山造地工作形成了許多大范圍高填方黃土場地[1-2]，而黃土作為一種具有水敏性的特殊類地基土，因受水分入滲作用影響而引發(fā)的不均勻沉降、濕陷變形等工程危害屢見不鮮。因此對填方壓實黃土中水分入滲特性進行研究具有重要意義。

自然環(huán)境中的土主要以非飽和形式存在，建于非飽和黃土場地的構(gòu)筑物受浸水變形破壞與自然降雨、人工灌溉、地下管道滲漏等密切相關(guān)。對于非飽和黃土水分入滲過程及規(guī)律研究，覃小華等[3]通過不同降雨強度下的一維垂直土柱模型試驗，分析了降雨強度對壓實黃土水分遷移規(guī)律的影響；杜玉鵬等[4]研究了不積雨條件下不同干密度壓實黃土水分入滲及濕潤鋒運移規(guī)律，得到了不積雨情況下濕潤鋒前進深度與滲流穩(wěn)定區(qū)深度的關(guān)系；姚志華等[5]通過水平及垂直兩種制樣方式對Q3黃土進行水平土柱入滲試驗，得到了不同制樣方式下容水率和擴散率變化特征；張鎮(zhèn)飛等[6]借助壓實黃土的一維土柱的垂直入滲試驗，分析了常水頭條件下累計入滲量、濕潤鋒前進距離和入滲率隨時間的變化關(guān)系。此外，考慮到室內(nèi)試驗的局限性，許多學者[7-11]在不同黃土場地進行多種類型的模擬降雨及浸水試驗，分析了不同地區(qū)原狀黃土水分入滲規(guī)律及變形沉降特征。以上眾多研究對黃土地區(qū)地下水分運移的探索起到了巨大推動作用，從中也不難發(fā)現(xiàn)土壤水分入滲影響因素復雜多樣，其中土體干密度變化作為阻礙土壤水分運移的重要因素之一，同樣受到眾多學者的關(guān)注，張華等[12]通過不同干密度狀態(tài)下壓實土的一維積水入滲試驗，揭示了入滲過程中封閉氣泡對入滲性能的影響機制；吳爭光等[13]利用一維土柱積水入滲試驗，得到了不同土體類型、干密度以及初始含水率對土壤水分入滲率影響；李華等[14]基于濾紙法的垂直土柱試驗對不同干密度壓實黃土進行測試，揭示了壓實黃土滲透性能受孔隙分布影響的內(nèi)在機理；楊忠翰等[15]、楊波等[16]分別對不同干密度下重塑土飽和滲透系數(shù)進行研究，探討了孔隙度、滲透壓強等因素對土體滲透性能影響?？梢姡擅芏茸鳛橛绊懲林兴秩霛B的重要因素，深刻探討其對土中水分運移規(guī)律影響的必要性，尤其對具有特殊水敏性的黃土地區(qū)顯得尤為重要。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自延安某黃土工程場地，為Q2離石黃土。通過室內(nèi)常規(guī)土工試驗及粒度分析(表1)可知，試驗土樣屬于粉土。

表1 試驗土樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of test soil samples

按常規(guī)土工試驗標準進行擊實試驗，測得土樣最優(yōu)含水率為16.5%，最大干密度為1.75 g/cm-3。

1.2 試驗方法與過程

試驗研究使用了自主研發(fā)的一套一維土柱垂直入滲試驗裝置，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和土柱裝置組成，如圖1所示。土柱裝置內(nèi)壁尺寸Ф30 cm×63 cm，筒壁兩側(cè)自上而下等間距各開設(shè)有一列(4個)直徑為8 mm的圓孔用于穿線埋設(shè)水分傳感器及水勢傳感器。筒底均勻布設(shè)有直徑為5 mm的透水孔，上部水流可通過筒底透水孔經(jīng)連接底部集水槽的橡膠軟管排出。此外，由于土柱裝置質(zhì)量較大且不易移動，整個制樣及后期浸水環(huán)節(jié)均在反力架上完成。

圖1 一維土柱垂直入滲試驗裝置Fig.1 One dimensional soil column vertical infiltration test device

試驗使用的水分傳感器及水勢傳感器型號分別為EC-5和MPS-6，通過Em50數(shù)據(jù)采集器及配套軟件(ECH2O Utility)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的自動記錄工作。

結(jié)合試驗土樣擊實試驗，為兼顧更大范圍獲取浸水過程中土體含水率變化情況以及得到較大壓實度下的試驗土樣，設(shè)定壓實土初始質(zhì)量含水率為12%，干密度ρd設(shè)置3個水平，分別為1.45、1.55、1.65 g/cm3，對應(yīng)飽和滲透系數(shù)3.56×10-4、7.49×10-5、5.56×10-5cm/s。參照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)對土樣進行風干、碾碎、過篩、配制含水率及靜置等工作，之后采用分層裝樣法，將試驗土柱分為10層，制成直徑30 cm、高50 cm的壓實土柱。根據(jù)不同目標干密度及土樣質(zhì)量含水率計算出5 cm厚土柱所需濕土樣質(zhì)量，借助反力架進行分層壓制，層與層之間進行刮毛處理防止土柱分層，其中分別在距土柱底面10、20、30、40 cm處埋設(shè)水分及水勢傳感器。待試驗土柱制作完成，調(diào)試傳感器致讀數(shù)穩(wěn)定后在土柱頂部預留段加水10 cm，控制水頭穩(wěn)定，進行常水頭浸水入滲試驗。觀察記錄不同時刻土柱水分變化規(guī)律及入滲量，試驗持續(xù)至土柱底部排水管流出穩(wěn)定水流停止。

2 壓實黃土垂直積水入滲變化特征

2.1 累計入滲量及入滲率

自試驗開始至不同時刻壓實土柱累計積水入滲量時程曲線如圖2所示。由于入滲過程自始至終土柱橫截面積A恒定，所以累計入滲量采用單位面積下的入滲統(tǒng)計量Q表示。觀察發(fā)現(xiàn)，不同干密度ρd壓實土柱累計入滲量隨積水入滲歷時逐漸增加且變化趨勢相同，曲線斜率呈先增加后減小，1.45、1.55、1.65 g/cm3下的累計入滲量分別為Q1.45、Q1.55、Q1.65，同一時段的累積入滲量與干密度存在負相關(guān)性，即Q1.45﹥Q1.55﹥Q1.65。這是由于土體干密度變化的本質(zhì)是一個土體內(nèi)部孔隙壓縮的過程，而土的水分入滲能力主要受到孔隙體積及連通性的影響，干密度越大，土中孔隙含量越少，利于水分運移的優(yōu)勢孔隙減少，孔隙連通性越差[14,17]，致使壓實土體入滲能力減弱。

筆者通過分析側(cè)滑事故成因及側(cè)滑車輛路面痕跡的特征，基于此提出了一種側(cè)滑事故的處理、鑒定方法，并利用側(cè)向附著系數(shù)側(cè)滑車速計算法，并運用到實際的側(cè)滑事故當中進行計算分析，總結(jié)出避免側(cè)滑的安全行車方法。從而為交通事故責任認定提供了重要依據(jù)，也為今后道路的建設(shè)和安全駕駛提供了重要依據(jù)和保障。

由圖2可知，受土柱干密度影響，累計入滲量時程曲線斜率變化存在差異，為反映受干密度影響下的土體水分入滲快慢，可進一步借助不同時刻入滲率i進行表示。通過對比發(fā)現(xiàn)(圖3)，相應(yīng)干密度下土柱入滲率隨時間變化與累積入滲量變化趨勢對應(yīng)，土柱干密度對積水入滲率影響明顯，1.45、1.55、1.65 g/cm3下的入滲率分別為i1.45、i1.55、i1.65，大小順序為i1.45>i1.55>i1.65。其中，積水入滲初始時刻入滲率均達到最大，隨著積水入滲歷時的增加迅速減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，各干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)對應(yīng)穩(wěn)定入滲率分別為8.46×10-3、4.42×10-3、1.70×10-3cm/min。造成這一現(xiàn)象的原因在于，一方面積水入滲初期，土體含水率較低，內(nèi)部存在大量空孔隙且基質(zhì)吸力較大，水分與土柱頂面接觸時可快速被土體吸收，隨著積水入滲的進行，土柱上部浸潤區(qū)域內(nèi)部孔隙被水分充填，水分繼續(xù)向下運移產(chǎn)生孔隙氣壓[18]，同時不連通的封閉孔隙及土粒自身對水分入滲起阻礙作用，使入滲率減??；另一方面，不同組土柱干密度變化改變了土體內(nèi)部孔隙含量、孔隙連通性，干密度越大，相同單位橫截面積下孔隙所占百分比越小，孔隙連通性越差，內(nèi)部氣體越不易排出，且浸水易形成封閉氣泡[12]，土體滲透性能變差，使得入滲率受干密度影響存在負相關(guān)性，進而導致相同時段的累積入滲量不同。

圖2 不同干密度土樣累計入滲量時程曲線Fig.2 Time history curve of cumulative infiltration of soil samples with different dry densities

圖3 不同干密度土樣入滲率時程曲線Fig.3 Time history curve of infiltration rate of soil samples with different dry densities

依據(jù)上述3組不同干密度土柱試驗結(jié)果，各選擇5處不同時間點(10、50、100、200、350 min)對應(yīng)入滲率，建立入滲率與土柱干密度變化關(guān)系曲線(圖4)。同一時刻不同干密度對應(yīng)入滲率擬合曲線斜率反映了土柱干密度對入滲率的影響變化。可見不同時刻對應(yīng)的不同干密度與入滲率擬合曲線斜率隨時間推移逐漸減小(-0.25、-0.10、-0.09、-0.07、-0.05)，入滲率受土體干密度變化影響主要體現(xiàn)在積水入滲前期，并隨著入滲時間的推移而影響逐漸減弱。

圖4 入滲率隨干密度變化關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of infiltration rate with dry density

2.2 濕化位移及前進速率

3組不同干密度土柱對應(yīng)積水入滲過程中濕潤鋒前進距離隨時間變化如圖5所示。不同干密度土柱隨積水入滲時長推移，濕潤鋒前進深度逐漸增大，各組濕潤鋒時程曲線變化趨勢相同，在相同積水入滲時長下因受不同組土柱干密度(1.45、1.55、1.65 g/cm3)影響，干密度越大濕潤鋒前進距離h越短(h1.45>h1.55>h1.65)。自試驗開始，各組土柱積水入滲過程中濕潤鋒運移相同時間段200 min所到達的深度分別為37.6、31.8、22.8 cm。對比累計入滲量隨時間變化時程曲線(圖2)，可見土體干密度變化對濕潤鋒前進距離的影響與累計入滲量變化具有相似特性。

單位時間內(nèi)的濕潤鋒前進距離代表壓實土柱濕化位移的前進速率。積水入滲初期濕潤鋒前進速率伴隨著初始入滲率達到最大，而后迅速減小并隨著積水入滲的時長而逐漸趨于穩(wěn)定(圖6)，與圖5對應(yīng)。積水入滲后期，不同干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)濕潤鋒運移速率分別穩(wěn)定在0.103、0.067、0.034 cm/min。其中，受孔隙變化影響，濕潤鋒前進速率v與壓實黃土干密度存在負相關(guān)性，v1.45>v1.55>v1.65，這是因為積水入滲過程中，濕潤鋒不斷向前推移，土體中的水分主要通過土粒間的孔隙進行運移，而土體干密度的增大降低了孔隙間的連通性，減少了孔隙含量，且易形成封閉氣泡阻礙水分運移，當土中運移水分無法通過原來封閉的孔隙時會延長滲流路徑，增加入滲時間，宏觀上表現(xiàn)出同一時刻濕潤鋒前進速率減小。

圖5 不同干密度下濕潤鋒前進距離時程曲線Fig.5 Time-history curve of wetting front advancing distance under different dry density

圖6 不同干密度下濕潤鋒前進速率隨時間變化曲線Fig.6 Variation curve of wetting front advance rate with time under different dry densities

2.3 監(jiān)測點含水率變化特征

借助水分傳感器可進一步監(jiān)測到各組干密度土柱不同深度土層體積含水率θ隨時間變化情況(圖7)。隨著積水入滲歷時增加，壓實土柱監(jiān)測截面處水分傳感器由淺至深依次響應(yīng)，土體體積含水率增大并最終基本穩(wěn)定于同一值；其中，隨積水入滲深度變化，同一土柱相鄰土層傳感器間水分入滲響應(yīng)歷時逐漸增加(表2)，監(jiān)測處土體體積含水率由初始態(tài)增濕至穩(wěn)定過程減緩(表3)。這是因為，入滲時間及入滲深度的變化引起入滲率及濕潤鋒前進速率逐漸減小，土柱內(nèi)濕潤鋒前端水分不能及時得到上部土體補充，從而導致壓實土柱下部土體較上部土體受水分入滲增濕時長增加。這與不同降雨強度下的土體增濕有著相似的變化特征[3]。

圖7 不同干密度下監(jiān)測點體積含水率隨時間變化規(guī)律Fig.7 Variation of volumetric water content of monitoring points with time under different dry densities

不同組土柱干密度變化對積水入滲土體含水率影響主要體現(xiàn)在兩個方面：干密度越大，對應(yīng)不同組土柱同一深度的相鄰水分傳感器間土層積水入滲歷時越大(表2)，這是因為干密度增大降低了壓實黃土水分入滲能力，相同積水入滲時刻入滲率及濕潤鋒前進速率減小，表現(xiàn)出同一土層厚度的土體干密度變化與積水入滲歷時存在正相關(guān)性；不同干密度土柱(1.45、1.55、1.65 g/cm3)積水入滲截止時，體積含水率分別穩(wěn)定在42.9%、42.2%以及39.0%左右，而土樣的實際飽和體積含水率分別為46.7%、43.0%以及39.3%，可見充分積水入滲過后的壓實土體并未達到真正飽和。其中，不同組土柱同一監(jiān)測點土體增濕過程(表3)同樣隨干密度變化存在正相關(guān)性，原因是干密度變化改變了土體內(nèi)部孔隙含量及大小，土體增濕過程中內(nèi)部氣體逸出通道變窄不易擴散[18]，導致同一監(jiān)測點的土體增濕過程隨干密度增大而有所減緩。

表3 不同干密度下監(jiān)測點壓實黃土增濕歷時Table 3 Moisturization duration of compacted loess at monitoring points under different dry densities

3 干密度對壓實黃土滲透性能影響

為對比分析壓實黃土受干密度影響下的滲透性能變化，可借助不同干密度狀態(tài)下飽和/非飽和滲透系數(shù)表示。

3.1 非飽和滲透系數(shù)變化規(guī)律

由于積水入滲過程中土柱內(nèi)部濕潤土體與未濕潤部分存在明顯界線(圖8)，因此可通過濕潤鋒前進法(wetting front advancing method，WFAM)[19]對非飽和狀態(tài)下的壓實黃土進行滲透系數(shù)求解，公式為

圖8 濕潤鋒位置Fig.8 Location of the wet front

(1)

式(1)中：k為積水入滲t1—t2時段的滲透系數(shù)平均值，cm/s；h為監(jiān)測截面至土柱頂部距離；θ(h,t1)、θ(h,t2)分別為監(jiān)測截面處t1及t2時刻的體積含水率；θ0為對應(yīng)土柱的初始體積含水率；γw為水的重度；v為t1—t2時段濕潤鋒的平均前進速率；Ψ(h,t1)、Ψ(h,t2)分別為監(jiān)測截面在t1和t2時刻的基質(zhì)吸力，kPa；取Δt=t2-t1=5 min。

通過預先埋設(shè)的水勢傳感器與水分傳感器，對不同干密度狀態(tài)下的壓實黃土土-水特征曲線數(shù)據(jù)點進行測定(圖9)。由圖9可知，干密度越大，壓實黃土內(nèi)部基質(zhì)吸力會隨體積含水率變化而更加敏感。利用VG(van genuchten)模型[20][式(2)]對不同干密度狀態(tài)下的數(shù)據(jù)點進行擬合，擬合參數(shù)見表4。

表4 壓實黃土土-水特征曲線擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of compacted loess

圖9 不同干密度壓實黃土土-水特征曲線Fig.9 Soil water characteristic curve of compacted loess with different dry densities

(2)

式(2)中：θs和θr分別為飽和體積含水率及殘余體積含水率；a、n、m為擬合參數(shù)，m=1-1/n。

此外，不同干密度壓實土柱濕潤鋒前進速率在積水入滲初期變化較大，隨著積水入滲歷史的增加而逐漸趨于穩(wěn)定(圖6)，因此，選取監(jiān)測深度H=40 cm的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)對非飽和狀態(tài)下的壓實黃土滲透系數(shù)進行求解，數(shù)據(jù)點分布如圖10所示。

圖10 不同干密度壓實黃土非飽和滲透系數(shù)Fig.10 Unsaturated permeability coefficient of compacted loess with different dry densities

非飽和狀態(tài)壓實黃土滲透系數(shù)隨體積含水率變化(19.3%～40.4%)主要分布在10-9～10-4cm/s，隨體積含水率的增大而增大，跨越了5個數(shù)量級。其中，當體積含水率介于20%～30%時，干密度對壓實黃土滲透系數(shù)影響不明顯，且滲透系數(shù)隨體積含水率變化相對平緩；當體積含水率大于30%時，同一體積含水率下干密度越大滲透系數(shù)越小，k1.45>k1.55>k1.65，滲透系數(shù)隨體積含水率變化較為劇烈。這是因為當土體含水率較低時，受基質(zhì)吸力影響，水分主要通過土中微孔隙運移，而干密度變化對土中微孔隙影響較小，從而致使該階段土體滲透性能差別不大；當含水率逐漸升高，基質(zhì)吸力減小，微孔隙接近飽和，水分逐漸進入孔徑相對更大的孔隙中，干密度越小，該階段中的孔隙含量越高，越有利于水分運移，滲透性能越好[14]。由圖7可知，積水入滲過程中土體與上部水分接觸時會在相對較短的時間內(nèi)快速發(fā)生變化，土體體積含水率增大，進而非飽和滲透系數(shù)隨干密度的不同發(fā)生快速分化，致使不同干密度下的壓實土柱積水入滲特征產(chǎn)生差異性變化。

3.2 飽和滲透系數(shù)變化規(guī)律

當壓實土柱底部開始出水，且連續(xù)24 h的單位時間下出水量恒定時，認為土柱增濕已達到穩(wěn)定狀態(tài)。由于積水入滲試驗自始至終水頭保持恒定(10 cm)，因此可通過常水頭法對穩(wěn)定狀態(tài)下的滲透系數(shù)進行計算，公式為

(3)

式(3)中：A為土柱橫截面積，cm2；H為土柱高度，cm；Q為Δt時段內(nèi)的累計入滲量(出水量)，cm3；hw為水頭高度，cm。

通過對比發(fā)現(xiàn)(圖11)，利用常水頭積水入滲測得的穩(wěn)定滲透系數(shù)與通過抽飽和變水頭實測的飽和滲透系數(shù)ks隨干密度變化趨勢相同，均隨干密度增大而減小，其中土柱穩(wěn)定時的滲透系數(shù)值均低于飽和狀態(tài)值，這是因為積水入滲過程中壓實黃土增濕至穩(wěn)定時并未達到飽和，土體內(nèi)部存在一定量不能自由排出的封閉氣泡對水分運移起到阻礙作用，單位滲流截面內(nèi)水分通過面積減小，致使?jié)B透性能與實際飽和狀態(tài)存在差異。但總體而言不同干密度狀態(tài)下的壓實黃土飽和滲透系數(shù)值與積水入滲值均分布在同一個數(shù)量級內(nèi)，較為接近，因此一般情況下可近似認為常水頭積水入滲下的穩(wěn)定滲透系數(shù)等于飽和滲透系數(shù)。

圖11 不同干密度壓實黃土飽和滲透系數(shù)Fig.11 Saturated permeability coefficients of compacted loess with different dry densities

4 結(jié)論

(1)壓實黃土干密度變化對土體積水入滲特性影響顯著，干密度越大，相同積水入滲時段累計入滲量越小，濕潤鋒前進距離越短。

(2)隨積水入滲進行，入滲率與濕潤鋒前進速率先迅速減小后逐漸趨于穩(wěn)定，壓實黃土干密度變化與入滲率和濕潤鋒前進速率存在負相關(guān)性，干密度對入滲率影響隨積水入滲時間推移逐漸減弱。

(3)積水入滲過程中，土柱體積含水率由淺至深依此遞增，同一深度相鄰傳感器間土柱干密度越大，傳感器響應(yīng)時間間隔越長，對應(yīng)監(jiān)測點土體干密度越大，增濕過程越緩慢。

(4)壓實黃土增濕過程中，滲透系數(shù)逐漸增大，主要分布在10-9～10-4cm/s，當體積含水率介于20%～30%時，滲透系數(shù)受干密度影響不明顯；當體積含水率大于30%時，干密度越大滲透系數(shù)越??；當壓實黃土增濕至穩(wěn)定時，土體并未達到飽和，滲透系數(shù)近似等于飽和滲透值。