張 林，張登飛，陳存禮，龐騰騰，孫佩娜

(1.西安理工大學巖土工程研究所/陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西 西安 710048；2.西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

黃土是具有較強水敏性及結(jié)構(gòu)性的典型非飽和土，天然狀態(tài)下具有良好的工程性質(zhì)，但降雨或灌溉等引起水入滲黃土斜坡體時，會加速水分運移而使黃土體力學特性劣化，導致黃土滑坡及其次生災害的發(fā)生。如，2013年7月中國西部黃土高原地區(qū)極端的降雨條件而引發(fā)大量的黃土滑坡、崩塌、坡面泥流等地質(zhì)災害，其中以甘肅天水和陜西延安兩地爆發(fā)的地質(zhì)災害最為典型[1]。顯然，頻發(fā)的黃土重大災害已嚴重影響到黃土地區(qū)人民的生活、生產(chǎn)和社會安全穩(wěn)定，深入探討這些地質(zhì)災害問題致災機制、提出有效防控與遏制措施迫在眉睫[2]，而首要任務便是弄清在降雨條件下考慮應力影響的黃土體水分入滲規(guī)律。土體水分入滲的研究已有較多的成果見諸報道，這些研究關注了降雨或積水入滲與毛細上升兩個方面。對于第一點，覃小華等[3]利用研制的一維土柱垂直入滲試驗裝置，模擬降雨條件下一維土柱的入滲規(guī)律及其非飽和土體滲透系數(shù)的求解；王念秦等[4]利用研制的非飽和土垂直滲流試驗儀，實現(xiàn)了土體滲流路徑、入滲鋒面移動速率、滲透水量等參數(shù)的測定，可較好地模擬大氣降水、灌溉水等在黃土中入滲、富集過程；張登飛等[5]用自制的非飽和土三軸剪切滲透儀，研究了在應力作用下浸水過程中非飽和原狀黃土滲透系數(shù)的變化特性；周祥[6]為探討三向應力狀態(tài)下不同泥質(zhì)膠結(jié)物含量砂巖滲透力學性能的異同，進行了不同泥質(zhì)含量砂巖三軸壓縮滲透試驗。詹良通等[7]利用土柱儀研究了常水頭下黃土覆蓋層中水-氣耦合運移過程；姚志華等[8]對黃土的積水入滲和水平入滲進行了研究，分別得到了不同壓實度下黃土的積水入滲規(guī)律和水平黃土的滲水特性；王春穎等[9]通過室內(nèi)層狀夾砂土柱一維積水入滲試驗，研究了夾砂層對入滲強度、濕潤鋒行進和沿程土壤含水率變化的影響。在滲透系數(shù)方面，Ng等[10]利用可控制豎向荷載的土柱儀研究了干濕循環(huán)對非飽和土滲透系數(shù)的影響；王炳忠等[11]研制了可加載滲透儀，進行了原狀土和重塑土不同荷載等級下滲透試驗；何俊等[12]開展不同圍壓和溫度下黏土的柔性壁滲透試驗研究，探討溫度和模擬滲透液作用下黏土滲透性的變化規(guī)律及機理。對于第二點，苗強強等[13]利用土柱儀對非飽和含黏砂土進行了毛細上升試驗，得到了試樣不同斷面的含水率和吸力隨時間的變化規(guī)律，揭示毛細上升規(guī)律；李萍等[14]對隴東高原馬蘭黃土進行了現(xiàn)場毛細上升試驗，研究黃土中毛細上升速率，并與根據(jù)Terzaghi理論以及Lu提出的理論計算結(jié)果進行了對比研究；杜紅普等[15]測定了砂土的毛細吸滲上升過程及穩(wěn)定時的濕度分布，并結(jié)合Gardner模型的土水特征曲線提出了一維非飽和毛細上升模型。天然斜坡土體通常承受一定的上覆壓力作用，在雨水入滲過程中水力耦合作用使土體產(chǎn)生變形，進而引起滲透特性的變化?；诖?，為更好地探索應力作用下土體的水分入滲或毛細上升規(guī)律，揭示土體的固結(jié)與滲流耦合特性，針對非飽和土-水作用模式，聯(lián)合相關試驗儀器生產(chǎn)廠家進行試驗設備嘗試性研制，擬研制出可模擬豎向附加應力作用下土體降雨、積水入滲或毛細上升的土柱試驗裝置。由于野外試驗環(huán)境的制約，室內(nèi)土柱試驗已經(jīng)作為一種有力的研究工程中滲水問題的手段被廣泛認可。在試樣尺寸方面，與應力作用下的三軸試樣相比，土柱試樣體積大，更具工程代表性。傳統(tǒng)的土柱試驗通常不考慮上覆壓力作用，或者考慮上覆壓力作用但未考慮增濕濕陷變形問題，而該裝置在設計時考慮了這方面的缺陷，用豎向加載裝置為整個試驗過程提供穩(wěn)定荷載。同時考慮到實際工程中可能出現(xiàn)的滲水條件，在傳統(tǒng)的單一型的基礎上進行了多樣化改造，其目的是能夠廣泛應用于不同類型的相關工程問題中。采用高精度傳感器實時監(jiān)測試驗參數(shù)變化情況，選用不同尺寸(高度)土柱筒模擬不同尺度土柱滲透過程，為研究固結(jié)與滲流耦合的滲水問題奠定基礎。

1 試驗裝置組成和特點

1.1 土柱儀組成及技術參數(shù)

該儀器由試驗臺架、土柱筒、豎向加載裝置、供水裝置、水分傳感器、張力傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。在試驗過程中可以自動采集體積含水量、基質(zhì)吸力、軸向變形量以及流量Q，豎向應力由豎向加壓系統(tǒng)提供(圖1)。

圖1 研制的土柱儀Fig.1 Development of soil column instrument

(1)試驗臺架主要為了固定土柱筒和豎向加載裝置以及調(diào)整與土柱頂面的距離，調(diào)整馬氏瓶水頭高度。

(2)土柱筒采用有機玻璃制成的圓柱狀筒體，其外徑160 mm，內(nèi)徑150 mm，厚度5 mm；在施加豎向荷載后其側(cè)限變形小于0.02%，可忽略不計[10]。土柱筒有4節(jié)，各節(jié)高度分別為30，25，25，20 cm，各節(jié)之間用法蘭緊密連接(內(nèi)六角螺絲)，可根據(jù)試驗需要選擇土柱筒高度。土柱筒側(cè)壁附著控制高度的刻度，底部為多孔板，下面鋪高度50 mm的粗砂作為過濾層。

圖2 豎向應力標定圖Fig.2 Calibration diagram of vertical stress

(4)供水裝置分為馬氏瓶和降雨裝置兩種，以模擬不同工況。恒定水頭供給系統(tǒng)由2個截面面積50 mm×60 mm、高度750 mm的馬氏瓶以及2個稱量5 kg、感量0.01g電子稱組成；降雨裝置為布滿針頭的圓盤，上部連接水箱裝置，可以通過調(diào)整水箱高度得到不同的降雨強度，通過移動水箱高度測量一段時間內(nèi)降雨裝置通過水的流量來標定降雨強度。

(5)采集傳感器包括水分傳感器與高量程吸力傳感器。前者采用MP406-B型水分傳感器，量程0～100%，精度±1%，安裝的穿孔直徑40 mm；后者采用微型探頭電阻式張力計，量程0～500 kPa，精度為±1 kPa，安裝的穿孔直徑6 mm，皆安裝在土柱筒側(cè)面。水分傳感器采取配置不同含水率的土樣標定；張力傳感器標定時壓力與輸出信號成線性關系[16](圖3)。

圖3 張力傳感器標定圖Fig.3 Calibration diagram of tension sensor

1.2 功能和特點

(1)試驗條件模擬

結(jié)合豎向加載裝置可對土柱施加不同豎向壓力。通過調(diào)整連接在降雨裝置上的水箱高度，可模擬不同降雨強度，通過調(diào)整馬氏瓶高度為土柱提供水頭，控制積水深度以模擬積水條件。通過施加壓力與水分入滲可研究一維土體的增濕濕陷特性，結(jié)合常規(guī)室內(nèi)壓縮濕陷試驗，可研究尺寸效應對增濕濕陷特性的影響。

(2)試驗過程可視

土柱筒由透明的有機玻璃制成，在模擬降雨、灌溉和毛細上升時，可以記錄浸潤峰位置，獲取水的入滲規(guī)律。對于降雨條件，當降雨強度較大時，可以觀察到土柱頂部滯水現(xiàn)象，記錄水開始滯留時間及高度。對于灌溉條件，通過觀察積水深度實現(xiàn)水頭高度定量化控制。

(3)試驗參數(shù)獲取

增濕前，在不同豎向壓力下對土柱進行固結(jié)，通過位移計獲得土柱固結(jié)變形量。增濕過程中，結(jié)合試驗設備裝置水分傳感器、高量程張力傳感器、位移傳感器和高精度電子稱及馬氏瓶，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以自動記錄土柱壓力下增濕過程中測試截面體積含水率、吸力、變形量和馬氏瓶中水的流量，同時通過觀察法記錄增濕過程浸潤峰深度。土柱處于無壓力狀態(tài)時，獲取參數(shù)時，無需考慮固結(jié)變形、增濕變形量。

(4)飽和滲透特性研究

當入滲量較大時，如土柱積水試驗，水充滿整個土柱后研究其飽和滲透特性。但一般情況下，水頭作用下非飽和土土柱很難達到飽和[10]，但一般可采用兩種方法：一是反壓飽和法，從土柱下方施加水壓力可以提高飽和度；二是采用抽氣法，土柱頂部供水，下方抽氣，將土柱中的氣擠出。飽和完成后，與常規(guī)滲透試驗研究方法相同，可以獲得豎向應力作用下土的飽和滲透系數(shù)。

1.3 試驗步驟

下面主要以豎向附加應力下的積水入滲試驗為例對儀器的使用進行說明。

(1)將黃土碾碎后過1 mm孔徑的篩子，測定其含水量，用噴霧法控制其制樣含水量wo，攪拌均勻后裝入塑料袋密封備用。在土柱試樣的制備中，為了使土柱試樣密實均勻，采用分層壓實，每層壓實高度50 mm。壓實過程中采用體積變形控制，根據(jù)土柱外壁膠帶黏貼刻度清晰的卷尺，利用氣壓緩慢施加軸向力，直到軸向高度達到壓實位置即停止。每層壓實完后對壓實面打毛，再進行下一層壓實，最終制成預定干密度、高度、直徑為150 mm的圓柱狀試樣，試驗前對各傳感器進行標定。

(2)土柱制備完成后，氣壓加載裝置下端與土柱頂面緊密接觸，安裝好位移計。為防止土樣擾動，避免土樣破壞及裂縫產(chǎn)生，水分計、張力計安裝時探頭探針位置用鉆子預先成孔，孔徑略小于探頭直徑，使探頭與土樣接觸良好。水分計、張力計與有機玻璃管接觸位置進行密閉處理，防止水分流出。土柱筒頂部用保鮮膜密封，防止水分蒸發(fā)，直到傳感器數(shù)值穩(wěn)定后開始進行下一步。

(3)試驗時用豎向加載裝置對土柱進行預固結(jié)，用位移計測量固結(jié)過程的壓縮變形。對積水入滲試驗，調(diào)整馬氏瓶高度控制水頭高度，先迅速加水至設定水頭，水頭高度是通過將馬氏瓶上部封閉，控制底部外管液面與土柱進水口液面的相對高度，試驗中保持水頭穩(wěn)定。無豎向附加應力作用時，增濕過程中由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄滲水時間、入滲流量、體積含水率和吸力測量值。有豎向附加應力作用時，還可以采集增濕濕陷變形量。在此過程中，需要記錄浸潤峰深度變化情況。

(4)滲水結(jié)束后，去掉保鮮膜，將豎向加載裝置上移，取下土柱筒，卸下水分計、張力計，在土柱不同位置取環(huán)刀樣并測含水率，用于校正測量值。

對降雨滲水試驗，在土柱筒上部安裝降雨裝置即可。對于土柱毛細上升試驗，只需在土柱底部施加水頭。由于土柱試驗時間一般較長，需保證傳感器的精確性及試驗過程中土柱的密封性。

2 土柱儀應用及結(jié)果分析

2.1 不同豎向附加應力下各參數(shù)時程曲線

下面僅以不同豎向附加應力作用下非飽和黃土積水入滲為例(圖1)，其他工況類似。用蘭州Q3黃土制成初始含水率8%、干密度為1.35 g/cm3土柱，進行豎向壓力為50，100，200，300 kPa以及無壓力作用下初始常水頭為50 mm的入滲試驗，按照試驗步驟進行，試驗過程可控條件多，所研制土柱儀操作簡單、靈活。現(xiàn)只針對1-1截面(圖4)，獲得不同豎向附加應力作用下非飽和黃土土柱增濕過程中浸潤峰hw、入滲量Q、體積含水率θw、吸力Ψ、豎向變形h時程曲線圖(圖5)?？梢钥闯觯瑐鞲衅鞣磻`敏，試驗曲線符合滲透規(guī)律，初步驗證了研制土柱儀的有效性。

圖4 非飽和黃土土柱1-1截面Fig.4 The 1-1 section of unsaturated loess column

圖5 黃土土柱1-1截面增濕過程中浸潤峰hw、入滲量Q、體積含水率θw、吸力Ψ、豎向變形h時程曲線Fig.5 The Infiltration peak (hw), infiltration quantity (Q), Volumetric moisture content (θw), suction (Ψ) and vertical displacement (h) time history curve of 1-1 section of loess column during wetting process

在滲水初期，同一附加應力下浸潤峰行進(滲水速率)較快，隨后逐漸減小(圖5a，b)，這是因為水滲入一段時間后，土樣上部逐漸達到暫態(tài)飽和，土柱的入滲能力被削弱，浸潤峰行進(滲水速率)減慢。是否施加豎向壓力對浸潤峰行進(滲水速率)有明顯的影響，隨著豎向附加應力的增大而減緩，這是因為豎向附加應力使土顆粒之間孔隙減少，顆粒排列更加緊密，導致水的入滲阻力增大。分析可知，水的入滲在無壓力條件下較有壓力條件容易且先快后慢，在實際防水工程中可以利用加載加壓的方式增加土體的密實度，從而減緩甚至杜絕水的入滲，例如壩體、路基等工程中經(jīng)常通過大體積(較大上覆壓力)加載起到防水的作用。試驗結(jié)果規(guī)律性較好，利用此方法可以得到最優(yōu)加載壓力。

入滲初期，由于壓縮程度不同，體積含水率和吸力初始值有稍微差異(圖5c，d)，隨著入滲時間增長，監(jiān)測點處體積含水率和吸力在不同豎向附加應力下呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。當有豎向附加應力作用時，體積含水率變化有明顯的過渡段而吸力過渡段變化不明顯。隨著豎向附加應力的增大，水傳至傳感器的時間點，即監(jiān)測點體積含水率、吸力開始變化的時間節(jié)點增長，表明豎向附加應力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測點體積含水率和吸力的變化。

入滲之前，土柱已經(jīng)在豎向固結(jié)應力下有不同程度的壓縮，無豎向附加應力作用時，土柱基本無變形，壓縮變形隨壓力增大成規(guī)律性增加；入滲后，豎向應力下土柱滲水初期產(chǎn)生較大濕陷變形，后期趨于平緩(圖5e)。這是因為土柱在增濕前低豎向應力下變形小，高應力下變形大，增濕過程中隨著豎向應力增大，整體受力逐漸均勻，濕陷范圍減小。

2.2 不同豎向附加應力下滲水系數(shù)

2.2.1滲透系數(shù)的確定

大多數(shù)土柱試驗在確定滲水系數(shù)時都需要讀取浸潤峰深度，但浸潤峰的獲取與土的干濕程度所反映的色差密切相關。當土的濕度較大時，濕潤峰獲取較為困難。因此，針對本次土柱積水入滲試驗采用瞬態(tài)截面法法計算滲水系數(shù)[10]，這就需要測定計算截面的滲水速率與水力梯度。

(1)計算截面的滲水速率確定。沿土柱方向任意截面位置在t=t1，t2時刻的體積含水率與水頭分布如圖6所示，其中土柱頂面與底面的體積含水率通過測定線性外推獲得(圖6虛線)。假定土柱僅在垂直入滲(即z方向)，則沿z方向的連續(xù)性方程為：

(1)

圖6 在t1與t2時刻土柱任意截面典型的體積含水率與水頭分布Fig.6 Typical volumetric moisture content and head distribution of soil column at any section at time t1 and t2

對式(1)進行積分可得：

(2)

式中zave=(zA+zB)/2；式(2)可近似為：

(3)

式中：vz0，tave——tave[=(t1+t2)/2]時刻土柱頂面的水流速率；

vzave，tave——tave[=(t1+t2)/2]時刻截面z=zave處水流速率；

ΔV——VA+VB之和，可通過梯形面積計算。

式(3)的物理意義是在給定流動邊界條件下，確定在Δt(=t1+t2)時間內(nèi)從截面z=0到z=zave土中總的水體積變化。對于vz0，tave可以通過馬氏瓶浸水量與時間關系函數(shù)求導確定(圖7)，即：

(4)

(2)計算截面的水力梯度確定。在tave時刻在截面zave處水力梯度izave，tave可通過中心差分法確定，即：

圖7 馬氏瓶的流量與時間關系Fig.7 Diagram of flow and time of mariotte bottle

(5)

式中：H——水頭高度；

Z——截面位置；

Ψ——監(jiān)測截面吸力；

γw——水的重度。

(3)計算截面的滲透系數(shù)確定。根據(jù)達西定律，即可確定出在tave時刻在截面zave處，0.5(szave,t1+szave,t2)吸力對應的滲透系數(shù)為：

(6)

2.2.2不同豎向附加應力下滲水系數(shù)的確定

根據(jù)試驗結(jié)果，按照前述方法計算滲水系數(shù)，繪出滲水系數(shù)kw與吸力Ψ關系曲線(圖8)。

圖8 不同固結(jié)應力下kw～Ψ曲線Fig.8 kw～Ψ curve under different consolidation stress

由圖8可知，增濕時曲線皆呈現(xiàn)先陡后緩的上升變化趨勢。在吸力較大時，氣體充滿大孔隙，此時滲水系數(shù)較小。隨著入滲，水擠占空氣進入大孔隙，當增濕到一定程度后(s<10 kPa)，土柱飽和度也逐漸穩(wěn)定，滲水系數(shù)趨于平緩，最終滲水充滿大孔隙，達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這與文獻[5]中在三軸壓力條件下和文獻[10]中土柱在豎向壓力下非飽和土的kw～Ψ關系相似。隨著豎向附加應力增大，滲水系數(shù)在增濕過程中呈規(guī)律減小，這與文獻[11]對飽和土的研究類似，這是因為豎向附加應力使土體固結(jié)變形，土骨架更加緊密，孔隙變得更小，削弱了水的入滲能力。為了對無豎向附加應力作用試驗部分結(jié)果進行驗證，制取與土柱試樣同干密度(1.35 g/cm3)和含水率(8%)的滲透環(huán)刀試樣，經(jīng)抽氣飽和后，利用常規(guī)滲透儀，采用變水頭試驗方法獲得蘭州黃土的飽和滲水系數(shù)，其值為3.52×10-4cm/s，而土柱試驗在近飽和狀態(tài)時滲水系數(shù)為1.99×10-4cm/s?？梢钥闯觯瑑煞N試驗方法所得滲水系數(shù)在同一數(shù)量級，相差近2倍，表明了滲透試驗存在明顯的尺寸效應，一般由常規(guī)滲水試驗所得滲水系數(shù)偏于安全，但土柱滲水較常規(guī)滲水試驗水遷移路徑更長，切近實際滲透情況，試驗方法具有一定可行性。

3 結(jié)論

(1)考慮豎向附加應力對非飽和土體滲透特性的影響，開發(fā)了一維垂直土柱試驗裝置。功能上可模擬豎向附加應力作用下降雨、積水垂直入滲、毛細上升工況，可清楚觀察水的入滲過程，可測定土柱固結(jié)壓縮量與增濕過程中水的入滲量與浸潤峰時程線、土柱豎向變形以及不同截面的體積含水率與基質(zhì)吸力的時程曲線；當土柱增濕至飽和時，可以測得飽和土柱滲透系數(shù)。

(2)以蘭州Q3非飽和粉質(zhì)黃土為例，初步開展了不同豎向附加應力作用下土柱積水入滲試驗，分析入滲量、濕潤鋒、體積含水率、吸力及豎向變形時程線變化規(guī)律。同一壓力下浸潤峰行進(滲水速率)較快，隨后逐漸減小，是否施加豎向附加應力對浸潤峰行進(滲水速率)有明顯的影響，隨著豎向附加應力的增大而減緩；豎向附加應力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測點體積含水率和吸力的變化；入滲前，土柱的固結(jié)對增濕時土柱濕陷變形有較大影響?；谒矐B(tài)剖面法基于瞬態(tài)剖面法可獲得不同截面處增濕時土的非飽和滲透系數(shù)與吸力關系，發(fā)現(xiàn)非飽和土滲透系數(shù)與吸力、豎向應力變化密切相關。

(3)由試驗結(jié)果可知，傳感器反應靈敏，試驗曲線符合入滲規(guī)律，驗證了研制土柱儀的有效性，為研究固結(jié)與滲流耦合的滲水問題奠定基礎。