非飽和擾動粉砂質黏土的土-水特征曲線特征研究

王成文，薛忠歧，李 英,2,3，黃小琴，朱 薇

(1.寧夏回族自治區水文環境地質勘察院，寧夏 銀川 750011；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；3.寧夏回族自治區地質局，寧夏 銀川 750021)

0 引言

土-水特征曲線是用來表示非飽和土體中基質吸力與含水率關系的曲線。在土-水特征曲線研究過程中，由于土體基質吸力與含水率的關系復雜，受外界諸多因素影響，很難從理論上推導出具體的關系表達式。在一般的研究方法中，大致分為兩類方法：直接法和間接法。直接法有張力計法、壓力膜法、砂芯漏斗法、離心機法、平衡水汽壓法等；目前，雖然在室內或原位的直接測定土體的水分特征曲線得到一定的發展，但是這些方法大部分有較耗時、費力、準確度低等缺點，難以精確得到土-水特征曲線，不能滿足科研要求。因此間接推求法顯得格外重要，它克服了室內方法存在的測量條件難以實現、試驗過程時間過長或者試驗精度較低等問題[1-2]。

在土-水特征曲線的相關研究方面，毛尚之[3]對湖北棗陽地區的膨脹細粒土進行土-水特征曲線試驗研究，初步分析了應力及吸力歷史等因素對土-水特征曲線的影響；田湖南、孔令偉[4]進行了細粒對砂土持水能力影響的試驗研究，分析了錢塘江南岸的蕭紹沖積平原砂土的土-水特征曲線的特征，探討細粒對砂土持水能力的影響；唐延貴、吳禮舟[5]對西南某地的粉質砂土進行干燥試驗，得到應力相關的土-水特征曲線及變形曲線。綜上可知，目前大多數學者側重對原樣土的研究，而對擾動土的研究較少，同時對于粉土和粉砂類黏土的土-水關系缺少系統比較。本文在前人對細粒土研究的基礎上，篩選配比三種非飽和擾動土樣，進行土-水特征曲線試驗研究，并選取兩種模型進行擬合分析，對以后研究非飽和地下水流、土壤生態、水土保持等問題提供一定參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次供試土樣取有代表性的河漫灘沉積相砂土和河湖沉積相的黏性土，篩選不同顆粒級配的擾動土體進行試驗研究，調試不同顆粒級配的土體類型，為以后實際復雜地層土-水特征曲線研究提供一定參考。在天然狀態下風干、碾碎、去除雜質，過篩2.0、1.0、0.25、0.05 mm(泰勒標準篩制)，制備不同顆粒級配的土樣。根據國際制土體質地分類標準(孫向陽等，2005)[6]，配制三種類型擾動土樣供本次試驗用土，一種是粉砂，另外兩種土樣分別是粉砂土、粉質黏土，其顆粒級配曲線見圖1，試驗土壤顆粒組分及定名見表1。

表1 試驗用土的顆粒組成及定名

1.2 土體物理指標測定

土體的物理特性是最基本的指標，本文對土體的容重、比重、含水率、pH值等項目進行了分析測定。按常規分析方法測定，測試方法參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)和《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)，測試結果見表2。

表2 土體基本理化特性參數

1.3 試驗方法

大量試驗研究表明[7-12]，Brooks-Corey模型和Van Genuchten模型在不同種類質地、不同環境等條件下模擬得到的曲線較為理想，具有很高的連續性，在相當寬的基質吸力或是函數率范圍內具有普遍適用性，因而在各領域研究中得到較為廣泛的應用。B-C模型與V-G模型的經驗公式如下：

Brooks-Corey模型(簡稱B-C模型)：

(1)

式中，θ為體積含水率；Se為飽和度；θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；hb為進氣壓力；h為壓力水頭；λ為反映土體孔隙大小分布的正常數；{(1-a|h|)n-1「1+(a|h|)n?-m}2。

Van Genuchten模型(簡稱V-G模型)：

(2)

(3)

表3 土-水特征曲線擬合數學模型

RETC軟件是由美國鹽土實驗室Van Genuchten等人(1999)依照最小二乘法回歸原理編寫開發，操作便捷，是專業的土-水特征曲線擬合軟件(配合壓力膜法)，同時也用于分析包氣帶的各項水力特性參數。RETC軟件工作界面見圖2。本文借助于RETC軟件，對擬合效果較好且具有代表性的Brooks-Corey模型和Van Genuehten模型進行擬合，比較擬合效果。

2 試驗結果分析

2.1 不同土樣的擬合結果

運用不同的數學模型對三種土樣進行擬合，由圖3可知，在整個脫水實驗過程中，三種試樣土-水特征曲線主要表現為：隨著土體所受外力(基質吸力)不斷增大，含水率逐漸減小，尤其在砂性顆粒含量較高的土體中最顯著。在較低吸力段(<30 kPa)，土體含水率隨吸力增加變化最為敏感，表現為曲線較陡；在中吸力段(30～120 kPa)，隨吸力的增加，土-水特征曲線減小幅度變緩，速率變小；在較高吸力段(>120 kPa)，土體基質吸力的增加對含水率的影響減弱，表現為土-水曲線變化平緩，土體含水率趨于穩定。

分析其原因，在較低土體基質吸力范圍內，土體中的水分保持與傳輸主要受土體毛細力的作用影響，而毛細力大小主要取決于土體孔隙大小分布、排列方式等。在砂性顆粒較大土體(1#土樣)中，孔隙分布較為疏散，持水性最差，故變化最為敏感；在較大吸力范圍內，土體對水分的作用主要為土體顆粒表面的吸附力作用，土體顆粒質地對土壤含水率影響甚微。在同一含水率條件下，土體黏粒含量越多，土體對水分的吸附作用就越強，即持水性越強，表現為土體水分隨吸力的增加而釋水輸出緩慢，即土-水曲線變化緩慢。反之，土體砂性顆粒含量越多，在相同土體吸力下，持水能力越差，表現為含水率越小。

2.2 擬合誤差分析

由于土-水特征曲線的復雜性，難以用理論公式來表達土吸力與含水率的關系，只能用經驗模型來擬合，得出較為理想的曲線。在不同數學模型擬合中，均有一定的誤差。設隨吸力遞減的含水率為因變量Y(X)，土水吸力為自變量X，令：

Y(X)=KX

(4)

在理想情況下，即誤差為零，K=1。用公式(1-4)對試驗結果與模擬結果進行回歸分析，見表4。

表4 不同質地試樣土-水特征曲線

由表4和表5可知，B-C模型和V-G模型的模擬結果和實測結果非常吻合，均在容許的范圍之內，方差均大于0.86，其中V-G模型的擬合更為理想，尤其是對供試土樣1#和2#的擬合，方差均達到了0.99以上。該兩種經驗模型對3#試樣的擬合效果較差，這可能是由于實際測定的機械組成是過了1 mm土篩，而測定特征曲線的土體卻沒有，從而使得大于1 mm的顆粒相對較多，造成了這樣的影響。理論模型對粉砂質黏土的模擬有較大誤差，這說明土體累積曲線的擬合是重要的。從上面計算過程可以看出理論模型比較直觀、簡單，同時可知經驗模型相對比較準確。

表5 模型相關擬合參數值

2.3 土-水特征曲線的主要影響因素

(1)土體質地

在影響土-水特征曲線的各種因素中，土體質地的影響最為明顯。結合土-水曲線實測值分析，土體顆粒越細越黏，其比表面積越大，壓實后的土孔隙也越小，土體對水分的持有能力越強。如圖4所示，在相同吸力作用下，3#土樣的含水率最大，釋水性最差，即黏性越大的土顆粒，吸水性能越好；相反之，質地越粗越砂，在相同吸力條件下，3#土樣的含水率最小，釋水性最強；因此，土體質地對土-水特征曲線的影響最為直觀、顯著。

(2)土體結構(孔隙性)

土體結構對土-水特征曲線的影響也較為明顯，尤其是在土體接近飽和含水率的時間段內，當土體的團聚性較好，土體團聚體數量較多時，曲線開始時都先經過一個平緩上升段后又變急速上升，團聚體含量越多，曲線一開始平緩上升的越低平；當土體比較分散，團聚體含量比較少時，曲線一開始就上升很快，而后經歷一段緩慢上升，最后轉入急速上升，呈現出典型的“S”型曲線。土體結構之所以對土-水特征曲線有影響，實質上是由于土體結構狀況的不同而導致的孔隙狀況不同所引起。

3 結論

(1)在三種類型土樣的土-水特征曲線模型中，V-G模型的擬合更為理想，尤其是對砂質類的土體擬合，擬合相關性較高，方差均達到了0.99以上，是描述該種土的水分特征曲線的適宜模型。

(2)在同一含水率條件下，土體黏粒含量越多，土體對水分的吸附作用就越強，表現為土體水分隨吸力的增加而釋水輸出緩慢，即土-水曲線變化緩慢；反之，土體砂性顆粒含量越多，在相同土體吸力下，持水能力越差，表現為含水率越小。

(3)土體質地和土體結構是影響土-水特征曲線的主要因素。土體質地的顆粒越細越黏，其比表面越大，土體對水分的持有能力越強，曲線隨吸力的變化越緩慢；在土體結構中，當土體比較分散，團聚體含量比較少時，曲線經歷“快速上升—緩慢上升—急速上升到穩定”，呈現出典型的“S”型曲線。