干湿循环对非饱和黄土渗透系数的影响研究

2021-01-29江肖鹏

水资源与水工程学报 2020年6期

景静，孙文，江肖鹏

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

1 研究背景

西北地区黄土分布广泛，且大多处于地下水位以上，是典型的非饱和土。已有研究表明，渗透系数是反映非饱和土的重要材料参数[1]，由于西北地区夏季降雨集中且环境温度高，使得黄土不断处于降雨入渗和水汽蒸发的循环过程中，导致黄土内部结构发生变化，最终影响其渗透特性和力学性能[2]。因此，研究干湿循环条件下非饱和黄土渗透系数的变化规律对解决西北地区各类岩土工程问题具有重要的现实意义。

基质吸力是区分饱和土和非饱和土的重要指标，在研究非饱和土渗透系数时，必须考虑基质吸力和体积含水量的关系。Rahardjo等[3]通过试验确定了不同粒径压实混合土的土-水特征曲线(soil-water characterisitic curve，SWCC)，发现干密度和粒径分布均会影响SWCC的拟合参数；Sleep等[4]发现压实黏土的基质吸力较小时，土体的渗流速度更快；赵茜等[5]通过三轴渗透试验发现，干湿循环和冻融循环同时作用时，干湿循环发挥主导作用，冻融循环发挥促进作用；刘奉银等[6]和赵天宇等[7]通过对非饱和黄土进行干湿循环条件下的SWCC试验，提出了干湿循环条件下SWCC的滞回特性规律；赵文博等[8]进一步研究发现非饱和压实黄土试样的滞回圈会随着干湿循环次数的增加而逐渐变小；Zhang等[9]提出表征土壤渗透系数函数的3个基本指标分别为收缩曲线、体积含水量和饱和渗透系数；刘奉银等[10]利用非饱和土水气运动联合测试方法得到非饱和黄土渗透函数，同时考虑湿度和密度对渗透函数的综合影响；文杰等[11]通过瞬态剖面法对黄土地基进行降雨入渗监测，发现黄土的非饱和渗透系数与体积含水率之间符合指数关系；马亚维等[12]和褚峰等[13]通过研究表明非饱和黄土渗透系数随干密度的增大而减小，且当体积含水率接近残余含水率时，不同干密度下黄土的渗透性基本保持不变；刘宏泰等[14]通过试验证实渗透系数随干湿循环次数的增加逐渐增大；Yan等[15]研究发现，干湿循环条件下黄土的大孔体积比例显著增加，中小孔和微孔比例则保持不变。

目前，相关研究多集中于干湿循环等因素对SWCC的影响，鲜有利用渗透系数的预测模型进一步研究非饱和黄土渗透系数的变化规律。本文基于前人对土-水特征曲线及渗透系数的研究，以重塑非饱和黄土为研究对象，采用土-水特征曲线试验结合非饱和渗透系数预测公式，探索不同干密度和干湿循环次数对非饱和黄土渗透系数的影响规律。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用黄土取自甘肃省通渭地区(土样代号为H)，为保证试验用土的有效性和均匀性，黄土试样均取自地表以下约6 m处。所取黄土试样外观颜色为黄褐色，土体较为松散，孔隙发育丰富。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)进行了室内试验，得出该地区黄土的基础物理性质指标，如表1所示。

表1 黄土试样基础物理性质指标

2.2 试验方法

黄土饱和渗透系数的测定选用TST-55渗透仪。首先使用渗透仪提供的环刀直接制样，然后将试样放入饱和器中抽气至饱和状态，最后使用变水头渗透仪测量经过干湿循环0、1、2、5次后饱和试样的渗透系数。

土-水特征曲线试验选用Fredlund和GCTS公司联合研制的土-水特征曲线压力仪(见图1)进行。该仪器使用轴平移技术，通过跟踪含水量、测量体变管体积变化，利用双压力表和调节阀精确控制压力，获取土-水特征曲线。依据标准击实试验测得黄土最大干密度为1.74 g/cm3，最优含水率为19.3%，采用相同击实功在不同含水率下制备不同干密度的黄土试样。相关研究表明[12]，土体在经过3次干湿循环后的性质基本趋于稳定，因此本次试验测定了干湿循环次数分别为0、1、2、5次后的黄土试样的土-水特征曲线。详细试验设计方案见表2。

图1 GCTS土-水特征曲线压力仪

表2 土-水特征曲线试验设计方案

3 试验结果与分析

3.1 土-水特征曲线

在非饱和土土力学中，通过研究土-水特征曲线，可以对非饱和黄土水力特性的众多参数进行预测。研究非饱和土渗透系数，需要将土-水特征曲线设想为充水孔隙形状的指标[16]。为了定量表征非饱和黄土水力特征与土-水特征曲线的关系，选用van Genuchten模型对试验数据进行拟合[17]，拟合方程为：

(1)

式中：θw为体积含水量；θr为残余含水量，取值为θr=10-5；Ψ为基质吸力，kPa；θs为饱和体积含水量；a为进气值函数的土性参数，kPa-1；b为基质吸力超过土的进气值时土中水流出率函数的土性参数，kPa-1。

选用van Genuchten模型对未经过干湿循环的不同初始干密度非饱和重塑黄土试样进行拟合，拟合结果见图2。

图2 不同初始干密度非饱和重塑黄土试样土-水特征曲线

由图2可以看出，相同基质吸力条件下试样的体积含水量随着干密度的增大而减小，当基质吸力在0～100 kPa时该变化趋势更加明显，说明在该条件下，体积含水量对基质吸力的变化比较敏感。产生这种现象的原因是：土体结构的紧密性由干密度决定，干密度小的土体中含有较多大孔隙，当基质吸力开始作用于土体时，大孔隙的存在使土样易于失水。大孔隙数量随着土体干密度的增大逐渐减少，形成较多连通性较差的中小孔隙，导致土体的失水速率减小，使基质吸力增大，体积含水量几乎不再改变，此时土体中体积含水量达到残余含水量θr。

土-水特征曲线在反映土体基质吸力与体积含水量关系的同时，也反映了土体的孔隙状态。已有研究表明，初始干密度及干湿循环次数均对土-水特征曲线有较大的影响，二者通过影响土体的孔隙结构，影响土-水特征曲线的变化趋势。各试验方案黄土试样van Genuchten模型拟合参数见表3，由表3可见，各拟合曲线的决定系数R2均高于0.97，说明可以利用此模型对该地区黄土进行拟合。

表3 各试验方案黄土试样土-水特征曲线拟合参数

土体试样干湿循环次数对土-水特征曲线的影响如图3所示。

图3 土体试样干湿循环次数对土-水特征曲线的影响

由图3可看出，当土体试样进行5次干湿循环后，其体积含水量减少了20%，且在基质吸力较小时含水量减少速率较快，随着基质吸力的增大，含水量减小速率变缓最终趋于稳定。结合表3分析原因：未经干湿循环的土体残余含水量θr较高，此时土体具有良好的持水性能及较高的进气值(a值)；经过几次干湿循环后θr明显降低，土体的持水性能变差，这是进气值降低导致的结果[18]。

当基质吸力大小相同时，由于土样的脱湿吸湿过程均影响土体的内部结构，导致试样两个过程的体积含水量并不完全相同。图3所示土-水特征曲线表现出明显的滞回效应，且滞回圈的大小随着干湿循环次数的增加而逐渐减小。随着土体脱湿过程的进行，土体中水分逐渐排到土体外部，使得土颗粒间的孔隙大小发生变化；土体在吸湿过程中，由于水分的增加导致土体内部胶结物溶解，土颗粒间的相对位置发生变化，改变了土体原有的状态。干湿循环过程导致土体内部结构不断发生变化，最终土样的原有性质发生改变，使得经过不同干湿循环次数的土-水特征曲线表现出不同的变化趋势。但上述影响会随着干湿循环次数的增加而削弱，5次干湿循环过后，土-水特征曲线的变化趋势趋于一致。

3.2 非饱和渗透系数预测

基于上述van Genuchten模型拟合所得土-水特征曲线，将曲线沿纵轴分为20等分，将每一等分中点对应的基质吸力用于计算非饱和渗透系数，计算方法如公式(2)～(4)：

(i=1,2,…,20)

(3)

(i=0,1,…,20)

(4)

式中：kw(θw)i为对应于第i等分体积含水量(θw)i确定的渗透系数，m/s；ks为实测饱和渗透系数，m/s；θs为饱和体积含水量；Ad为调整系数，m·kPa2/s；ksc为饱和渗透系数，m/s；Ts为水的表面张力，kN/m；p为考虑不同尺寸孔隙间相互影响的常数，取值为p=2.0；g为重力加速度，m/s2；ρw为水的密度,kg/m3；N为饱和体积含水量θs与零体积含水量之间的总等分数；(ua-uw)j为相应于j等分的基质吸力，kPa；i为等分编号；j为从i到20的计数。

按照上述步骤计算得到重塑黄土试样在不同初始干密度、不同干湿循环次数条件下，体积含水量和基质吸力分别对应的渗透系数。结合van Genuchten模型和Childs &Collis-Geroge模型，可以预测黄土的非饱和渗透系数。

不同试验方案重塑黄土的饱和渗透系数如表4所示，不同初始干密度非饱和黄土试样渗透系数的变化规律如图4所示。

表4 重塑黄土饱和渗透系数 10-6

图4 不同初始干密度非饱和黄土试样渗透系数的变化规律

由图4可以看出，试样非饱和渗透系数随着初始干密度的增大而减小。这是由于土样由大孔隙和毛管孔隙组成[19]，其中大孔隙在渗流过程中起主要作用；初始干密度小的试样中含有较多大孔隙，当基质吸力作用于土体时，试样开始向土体外部排水，大孔隙储水能力比较强，对应的渗透系数较大。随着试样初始干密度的增大，土样中的毛细管孔隙数量增多，试样内部的孔隙结构排列更加紧密[20]，土骨架中的孔隙比减小，试样的保水能力变强，排水速率减小，最终呈现出随试样初始干密度增加，非饱和渗透系数减小的规律[21]。

非饱和黄土试样渗透系数与体积含水量及基质吸力关系的拟合曲线如图5、6所示。

由图5、6可见，渗透系数随基质吸力的增大呈现出减小的趋势，当基质吸力增大到一定程度时，非饱和黄土试样渗透系数趋于稳定(渗透系数随体积含水量的变化趋势与之相反)。产生这种规律的原因在于，孔隙中气体成分的含量随基质吸力的不断减小而降低，使水分在土体内部的流动速度加快，土体内部含水量显著增加，因此渗透系数可以不断增大至饱和渗透系数。通过拟合发现，该地区非饱和黄土渗透系数与基质吸力和体积含水量的关系符合形如y=y0+ae-x/b的指数函数形式。

图5 非饱和黄土试样渗透系数与体积含水量关系的拟合曲线图6 非饱和黄土试样渗透系数与基质吸力关系的拟合曲线

相同干密度的黄土试样经不同干湿循环次数脱湿和吸湿后，其渗透系数的变化规律如图7所示。图7表明，非饱和黄土试样渗透系数随着干湿循环次数的增加而增大。结合文献[22]、[23]分析其原因：首先，干湿循环过程使外部水分进入到土体内部，随着小孔、微孔数量占比的增加，孔隙分布更加均匀，逐渐在土体内部形成“水分通道”，土体渗透性增强；随着干湿循环次数的增加，试样中小孔隙逐渐有向大孔隙发展的趋势，土体的渗透系数稳定上升；其次，试样的孔隙中存在能够阻止水分交换流动作用的气体，当体积含水量减小时，孔隙中的气体含量增加，土体内部水分消散变缓，同时外部水分不容易进入到土体内部，当干湿循环达到一定次数后，土体的性质趋于稳定，非饱和渗透系数基本保持不变。