王成文，薛忠歧，李 英,2,3，黃小琴，朱 薇

(1.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)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(zhì)吸力與含水率關(guān)系的曲線。在土-水特征曲線研究過程中，由于土體基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系復(fù)雜，受外界諸多因素影響，很難從理論上推導(dǎo)出具體的關(guān)系表達(dá)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(jì)法、壓力膜法、砂芯漏斗法、離心機(jī)法、平衡水汽壓法等；目前，雖然在室內(nèi)或原位的直接測定土體的水分特征曲線得到一定的發(fā)展，但是這些方法大部分有較耗時(shí)、費(fèi)力、準(zhǔn)確度低等缺點(diǎn)，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(nèi)方法存在的測量條件難以實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)過程時(shí)間過長或者試驗(yàn)精度較低等問題[1-2]。

在土-水特征曲線的相關(guān)研究方面，毛尚之[3]對(duì)湖北棗陽地區(qū)的膨脹細(xì)粒土進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)研究，初步分析了應(yīng)力及吸力歷史等因素對(duì)土-水特征曲線的影響；田湖南、孔令偉[4]進(jìn)行了細(xì)粒對(duì)砂土持水能力影響的試驗(yàn)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(xì)粒對(duì)砂土持水能力的影響；唐延貴、吳禮舟[5]對(duì)西南某地的粉質(zhì)砂土進(jìn)行干燥試驗(yàn)，得到應(yīng)力相關(guān)的土-水特征曲線及變形曲線。綜上可知，目前大多數(shù)學(xué)者側(cè)重對(duì)原樣土的研究，而對(duì)擾動(dòng)土的研究較少，同時(shí)對(duì)于粉土和粉砂類黏土的土-水關(guān)系缺少系統(tǒng)比較。本文在前人對(duì)細(xì)粒土研究的基礎(chǔ)上，篩選配比三種非飽和擾動(dòng)土樣，進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)研究，并選取兩種模型進(jìn)行擬合分析，對(duì)以后研究非飽和地下水流、土壤生態(tài)、水土保持等問題提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)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(jí)配的擾動(dòng)土體進(jìn)行試驗(yàn)研究，調(diào)試不同顆粒級(jí)配的土體類型，為以后實(shí)際復(fù)雜地層土-水特征曲線研究提供一定參考。在天然狀態(tài)下風(fēng)干、碾碎、去除雜質(zhì)，過篩2.0、1.0、0.25、0.05 mm(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩制)，制備不同顆粒級(jí)配的土樣。根據(jù)國際制土體質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)(孫向陽等，2005)[6]，配制三種類型擾動(dòng)土樣供本次試驗(yàn)用土，一種是粉砂，另外兩種土樣分別是粉砂土、粉質(zhì)黏土，其顆粒級(jí)配曲線見圖1，試驗(yàn)土壤顆粒組分及定名見表1。

表1 試驗(yàn)用土的顆粒組成及定名

1.2 土體物理指標(biāo)測定

土體的物理特性是最基本的指標(biāo)，本文對(duì)土體的容重、比重、含水率、pH值等項(xiàng)目進(jìn)行了分析測定。按常規(guī)分析方法測定，測試方法參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)和《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)，測試結(jié)果見表2。

表2 土體基本理化特性參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

大量試驗(yàn)研究表明[7-12]，Brooks-Corey模型和Van Genuchten模型在不同種類質(zhì)地、不同環(huán)境等條件下模擬得到的曲線較為理想，具有很高的連續(xù)性，在相當(dāng)寬的基質(zhì)吸力或是函數(shù)率范圍內(nèi)具有普遍適用性，因而在各領(lǐng)域研究中得到較為廣泛的應(yīng)用。B-C模型與V-G模型的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(shù)；{(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(shù)學(xué)模型

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

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同土樣的擬合結(jié)果

運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)三種土樣進(jìn)行擬合，由圖3可知，在整個(gè)脫水實(shí)驗(yàn)過程中，三種試樣土-水特征曲線主要表現(xiàn)為：隨著土體所受外力(基質(zhì)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(xiàn)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??；在較高吸力段(>120 kPa)，土體基質(zhì)吸力的增加對(duì)含水率的影響減弱，表現(xiàn)為土-水曲線變化平緩，土體含水率趨于穩(wěn)定。

分析其原因，在較低土體基質(zhì)吸力范圍內(nèi)，土體中的水分保持與傳輸主要受土體毛細(xì)力的作用影響，而毛細(xì)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(nèi)，土體對(duì)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(zhì)地對(duì)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(duì)水分的吸附作用就越強(qiáng)，即持水性越強(qiáng)，表現(xiàn)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(xiàn)為含水率越小。

2.2 擬合誤差分析

由于土-水特征曲線的復(fù)雜性，難以用理論公式來表達(dá)土吸力與含水率的關(guān)系，只能用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠頂M合，得出較為理想的曲線。在不同數(shù)學(xué)模型擬合中，均有一定的誤差。設(shè)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行回歸分析，見表4。

表4 不同質(zhì)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(jié)果和實(shí)測結(jié)果非常吻合，均在容許的范圍之內(nèi)，方差均大于0.86，其中V-G模型的擬合更為理想，尤其是對(duì)供試土樣1#和2#的擬合，方差均達(dá)到了0.99以上。該兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)3#試樣的擬合效果較差，這可能是由于實(shí)際測定的機(jī)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(duì)較多，造成了這樣的影響。理論模型對(duì)粉砂質(zhì)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(jì)算過程可以看出理論模型比較直觀、簡單，同時(shí)可知經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?duì)比較準(zhǔn)確。

表5 模型相關(guān)擬合參數(shù)值

2.3 土-水特征曲線的主要影響因素

(1)土體質(zhì)地

在影響土-水特征曲線的各種因素中，土體質(zhì)地的影響最為明顯。結(jié)合土-水曲線實(shí)測值分析，土體顆粒越細(xì)越黏，其比表面積越大，壓實(shí)后的土孔隙也越小，土體對(duì)水分的持有能力越強(qiáng)。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(zhì)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(qiáng)；因此，土體質(zhì)地對(duì)土-水特征曲線的影響最為直觀、顯著。

(2)土體結(jié)構(gòu)(孔隙性)

土體結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)間段內(nèi)，當(dāng)土體的團(tuán)聚性較好，土體團(tuán)聚體數(shù)量較多時(shí)，曲線開始時(shí)都先經(jīng)過一個(gè)平緩上升段后又變急速上升，團(tuán)聚體含量越多，曲線一開始平緩上升的越低平；當(dāng)土體比較分散，團(tuán)聚體含量比較少時(shí)，曲線一開始就上升很快，而后經(jīng)歷一段緩慢上升，最后轉(zhuǎn)入急速上升，呈現(xiàn)出典型的“S”型曲線。土體結(jié)構(gòu)之所以對(duì)土-水特征曲線有影響，實(shí)質(zhì)上是由于土體結(jié)構(gòu)狀況的不同而導(dǎo)致的孔隙狀況不同所引起。

3 結(jié)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(duì)砂質(zhì)類的土體擬合，擬合相關(guān)性較高，方差均達(dá)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(duì)水分的吸附作用就越強(qiáng)，表現(xiàn)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(xiàn)為含水率越小。

(3)土體質(zhì)地和土體結(jié)構(gòu)是影響土-水特征曲線的主要因素。土體質(zhì)地的顆粒越細(xì)越黏，其比表面越大，土體對(duì)水分的持有能力越強(qiáng)，曲線隨吸力的變化越緩慢；在土體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)土體比較分散，團(tuán)聚體含量比較少時(shí)，曲線經(jīng)歷“快速上升—緩慢上升—急速上升到穩(wěn)定”，呈現(xiàn)出典型的“S”型曲線。