不同深度非飽和土的土水特征曲線試驗研究

程宏超，張貽火，李殿龍，劉雪冬

[摘要]采用簡易蒸發法對合肥市大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進行土水特征曲線試驗研究，并利用Van Genuchten模型對試驗結果進行擬合，綜合考慮了不同深度處土樣的顆粒組成、初始含水率、初始干密度和初始孔隙比對土水特征曲線的影響。研究表明：（1）同一土質不同深度的土樣，隨著深度的增大，初始含水率、初始干密度增大，初始孔隙比減小。埋藏較深的土樣土水特征曲線出現在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率。（2）埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進氣值較大，相應的土水特征曲線的斜率也較小。土樣的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小，進氣值就越大，特征曲線就越緩。（3）水分蒸發量隨時間近似線性增加，埋藏較深的土樣水分蒸發速率較慢，埋藏較淺的土樣水分蒸發速率較快。（4）不同深度土樣在初始階段基質吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩，埋藏較深的土樣吸力變化速率較慢，埋藏較淺的土樣吸力變化速率較快。

[關鍵詞]不同深度； 土水特征曲線； 基質吸力； 體積含水率； 影響因素

中國分類號]TU431? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

飽和-非飽和狀態是土存在于自然界的真實狀態，描述和解釋這種狀態的非飽和理論在土石壩滲流、邊坡和路基穩定性分析等領域有著廣泛的應用。非飽和土土水特征曲線（SWCC）是非飽和土力學研究的基本內容之一，對非飽和土體滲流和穩定性分析至關重要［1］。許多學者對土水特征曲線進行研究，Miller［2］分析了不同類型的土體在不同擊實功和不同擊實含水率下土水特征曲線。Kawai等［3］分析了試樣固結壓力和孔隙對土水特征曲線的影響。Charles等［4］研究了應力歷史對試樣土水特征曲線的影響，汪東林等［5］研究了擊實功、擊實含水率、干密度、應力歷史和試樣應力狀態5種因素對非飽和重塑黏土土水特征曲線的影響。

本文通過室內試驗對大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進行土水特征曲線試驗研究，探究不同因素對土水特征曲線的影響以及土樣水分蒸發量、基質吸力隨時間的變化關系，從而為土石壩滲流以及穩定性研究打下基礎。

1土水特征曲線模型

土水特征曲線（SWCC）反映了土中含水量（質量或者體積含水量）與吸力之間的關系，通過理論方法，使用相應的模型函數，可以推出土體的滲透系數、抗剪強度等重要指標。國內外學者對土水特征曲線進行了大量的理論研究，Gardner［6］、Brooks and Corey ［7］、van Genuchten ［8］、Fredlund and Xing等 ［9］ 各自提出了相應理論模型。通過各種模型的試驗結果對比分析，發現VG模型能夠更好地擬合實際的土水特征曲線的形狀，其表達式見式（1）：

θ-θrθs-θr=11+（αψ）nm（1）

式中：θ為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；ψ為土體的基質吸力參數；α，n，m均為曲線擬合參數；α直接與空氣進氣值相關，一般認為α是進氣值的倒數，其單位為kPa-1；n與土的孔徑分布有關，控制著土水特征曲線的斜率；m與土水特征曲線的整體對稱性有關，m=1-1/n。

2試驗土樣、儀器及方案

2.1試驗土樣

本次試驗的土樣來自合肥市大房郢水庫大壩的原狀土樣，選取大壩不同深度的土樣并進行試樣編號，經過室內常規試驗，土樣的物理性質指標如表1所示。

2.2試驗方法

本次實驗采用簡易蒸發法，簡易蒸發法具有操作簡單，數據處理簡單等優勢。早在多年前就有學者對于土壤水力特性的測量方法進行研究，Wind 開發的簡易蒸發法就用來測量土壤的水力特性，這種方法具有成本低，操作簡單等優勢［10］。

Schindler［11］提出一種改進的蒸發方法，利用該方法可以同時計算不飽和土的水力傳導率和土水特征曲線，Peters等［12］對 Schindler 的簡易蒸發方法對各種質地和結構的土壤的準確性和不確定性進行評估，表明這是一種確定土壤水力特性的快速，準確和可靠的方法。

2.3試驗儀器與裝置

試驗儀器包括數字信號張力計、國產卓精 BSM22000.2天平，數字信號張力計相比于傳統張力計，該張力計操作簡單，不易汽化，吸力測量的準確度和穩定性較高；電子天平使用通訊功能，利用數據線和計算機連接，實現數據的自動化測量。試驗裝置由張力計、電子天平、土樣和電腦采集儀組成，如圖1所示。用張力計測得土體的基質吸力，電子天平測得土體蒸發過程中的質量變化，張力計和電子天平同時與電腦相連，實現數據自動化連續測量，從而獲得土水特征曲線。

2.4試驗步驟

張力計在使用之前需要飽和處理，將張力計放入預先準備好的無氣水中，打開真空泵抽氣約2 h。選擇直徑為 61.8 mm、高度為 20 mm 的環刀制備土樣，按照土水試驗規范［13］對土樣進行飽和處理。土樣飽和好后立即進行底部封口，以保證土體單面蒸發，將張力計輕輕推入土樣的頂面，深度約為10 mm，然后將張力計和土樣放在電子天平上，為避免外界對試驗的不良影響，最后將整個試驗儀器放入箱子中。天平和張力計的讀數每1 min由計算機自動記錄一次，當張力計的讀數達到其進氣值時，試驗結束。

3試驗誤差分析

3.1張力計線材擾動誤差

張力計的線材擾動對試驗結果有一定的影響，張力計的線材在溫度、周圍環境影響下導致電子天平的讀數發生變化，從而引起土體的含水率測量誤差（圖2）。

取選相同的土樣進行試驗，一組放置張力計，另一組不放置張力計，通過對照試驗分析張力計線材擾動對試驗結果的影響。試驗結果表明，張力計線材擾動對試驗結果有一定影響，在13 h時，試驗結果的誤差最大，為0.59 g，計算后的得到土樣含水量的誤差為0.98%。因此，張力計線材擾動引起的試驗結果誤差為0%～0.98%（圖3）。

3.2天平誤差

在試驗過程中，電子天平的讀數變化直接反映土樣的質量損失變化，因此電子天平的誤差直接影響試驗結果的準確性（圖4）。

選取質量為150 g鋼塊（天平內部有磁吸系統，不能使用鐵塊），試驗時間為1天。試驗結果表明，電子天平存在一定的誤差，在14.5 h時，誤差最大，為0.25 g，計算后的得到土樣含水量的誤差為0.17%（圖5）。

4試驗成果分析

利用Origin軟件，建立VG模型函數，對試驗數據進行曲線擬合，并得到相應的擬合參數，試驗擬合采用體積含水量。

4.1水分蒸發量隨時間的變化

由圖6可知，不同深度土樣的水分蒸發量隨時間近似線性增加，表明土樣的蒸發速率幾乎恒定，在這一蒸發過程中，土樣水分蒸發量主要受外界環境（溫度、濕度等）的影響。由于在試驗過程中，室內溫度和濕度相對恒定，因此，水分蒸發速率也相對穩定。

不同深度土樣的水分蒸發量隨時間的變化稍有差異，深度3.0～3.25 m土樣脫水速率最快，深度7.5～7.75 m與深度9.7～9.95 m土樣脫水速率較慢。這是因為埋藏較深的土樣具有較大的初始干密度和較小的初始孔隙比，土中的水不易排出，土的持水性能較強，故脫水速率較慢。反之，埋藏較淺的土樣具有較小的初始干密度和較大的初始孔隙比，土中的水很容易從孔隙中排出，土的持水性能較弱，故脫水速率較快。

4.2基質吸力隨時間的變化

由圖7可知，在初始階段，各深度土樣的基質吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩。深度3.0～3.25 m土樣基質吸力上升最快，最先達到進氣值，深度7.5～7.75 m土樣基質吸力上升較慢，深度9.7～9.95 m土樣基質吸力上升最慢。這是由于埋藏較深的土樣具有較大的初始干密度和較小的初始孔隙比，土中的水不易排出，土的持水性能較強，故吸力上升比較慢。反之，埋藏較淺的土樣具有較小的初始干密度和較大的初始孔隙比，土中的水很容易從孔隙中排出，土的持水性能較弱，故吸力上升較快。

4.3同一土質不同深度對土水特征曲線的影響

同一土質不同深度對土水特征曲線有一定的影響，不同深度的土樣，其體積含水率均隨著基質吸力的增大而逐漸減小，主要體現在空氣進氣值及特征曲線斜率的不同。不同深度之所以能夠影響著土水特性，是因為不同深度的土樣具有不同的物理性質，它們在初始含水率、干密度及孔隙比方面均有差異，而這些因素制約著試樣的微觀結構。

由表1可知，隨著深度的增加，土樣的初始含水率、初始干密度及初始孔隙比逐漸增大。埋藏較深的土樣土水特征曲線出現在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率，這是因為埋藏較深的土樣初始含水率較大，土樣的可塑性較強。

由圖8可知，埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進氣值較大，相應的土水特征曲線的斜率也較小。這是因為埋藏較深的土樣具有較大的初始含水率、較大的初始干密度和較小的初始孔隙比。初始含水率較高的土樣，其持水性能較強，體積含水率變化幅度較小。干密度較大的土樣，其內部結構較為緊密，土的孔隙體積較小，空氣進入土體的難度增大，土樣的排水就變得越來越困難，因此進氣值較大。

孔隙比是反映土體孔隙結構的宏觀指標，對同一土質的土樣，孔隙比越大，土樣內部的大孔隙越多，在較小吸力驅動下，水分很容易被驅動排出；而孔隙比越小時，土樣中微孔隙的數量越多，孔隙水不易從這些微孔隙中排出。因此，孔隙比較小的土樣具有較大的進氣值，土樣的持水性能較強，特征曲線較為平緩。

5結論

通過簡易蒸發法對合肥市大房郢水庫土石壩不同深度的原狀土進行土水特征曲線試驗研究，可以得到結論：

（1）同一土質不同深度的土樣，隨著深度的增大，初始含水率、初始干密度增大，初始孔隙比減小，埋藏較深的土樣土水特征曲線出現在埋藏較淺的土水特征曲線的上方，較深的土樣具有較大的飽和體積含水率。

（2）埋藏較深的土樣土水特征曲線的空氣進氣值較大，相應的土水特征曲線的斜率也較小。土樣的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小，進氣值就越大，特征曲線就越緩。

（3）水分蒸發量隨時間近似線性增加，埋藏較深的土樣水分蒸發速率較慢，埋藏較淺的土樣水分蒸發速率較快。

（4）不同深度土樣在初始階段基質吸力變化速率較快，隨后變化速度有所減緩，埋藏較深的土樣吸力變化速率較慢，埋藏較淺的土樣吸力變化速率較快。

參考文獻

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