陳 亮， 司朋舉， 張 賞

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

非飽和土體在自然界中大量存在，是飽和度大于0小于100的固、液、氣三相混合體系，具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)［1］，初始含水率較低，具有較高的基質(zhì)吸力，穩(wěn)定性好. 但是當(dāng)遇到降雨天氣時，雨水入滲非飽和土體后勢必會引起土體含水率的增加，土壤基質(zhì)吸力減小，從而引發(fā)相應(yīng)的自然地質(zhì)災(zāi)害，例如滑坡、泥石流等［2-3］. 大量工程實踐經(jīng)驗表明，地基液化、邊坡流滑等災(zāi)害現(xiàn)場土體中都含有一定含量的黏粒，黏粒對砂土液化等工程特性影響較大. 且在土壤學(xué)中，有些農(nóng)作物在過砂或者過黏的土體中生長較差，一般采用客土的方法進行土壤改良，即砂摻黏. 據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有耕地中，因耕層土壤質(zhì)地過砂或者過黏而需要改良的土壤各在一億畝以上［4］. 因此，研究降雨條件下不同黏粒含量土體非飽和入滲特性具有重要的現(xiàn)實意義.

前人對土體的入滲過程及其變化規(guī)律做了大量室內(nèi)和室外的研究，也取得了頗為豐碩的研究成果. 王永義等［5］基于山西氣象站的實測資料，從雨強、潛水面深度、巖性等方面分析和總結(jié)了降雨入滲補給規(guī)律. 朱偉和山村和也［6］使用降雨入滲試驗來測量土壤水分和濕潤鋒的運動規(guī)律，并用有限元方法進行了飽和—不飽和入滲分析. 張士林［7］研究了強降雨條件下干土緩坡的入滲規(guī)律，并基于Green-Ampt入滲模型提出恒定雨強下的實際入滲關(guān)系式. 白盛元［8］在野外觀測了10 m深的土柱的土壤水分動態(tài)變化，分析了自然降雨條件下土壤水分的入滲深度和補給量，水分入滲受到多種因素的影響，因而入滲過程持續(xù)時間不同. 陳洪松等［9］利用室內(nèi)人工降雨試驗，研究了初始土壤含水量對坡面降雨入滲的影響，結(jié)果表明，初始含水率越高，產(chǎn)流越快，再分布過程中濕潤鋒運移速率越大，且土體水分有沿坡向下運移趨勢. 曾鈴等［10］設(shè)計了一種可以測量土體吸力和含水量的降雨入滲裝置，通過降雨試驗研究了砂土和粉質(zhì)黏土在不同雨強以及底部排水條件下含水率和吸力隨時間的變化規(guī)律. 朱偉等［11］通過室內(nèi)降雨入滲土柱試驗，探究了降雨入滲的過程和入滲規(guī)律，并研究了能夠準確反映降雨入滲量的有限元計算方法. 鐘佩文等［12］在室內(nèi)進行垂直一維降雨入滲過程，觀察了土體內(nèi)濕潤鋒和含水率的遷移規(guī)律，采用FLAC3D并結(jié)合實際參數(shù)模擬了該降雨過程，并分析了邊坡的安全穩(wěn)定性. 張世斌等［13］開發(fā)了一種可以測量土體電阻率和體積含水率的試驗裝置，并進行了降雨條件下重塑黃土水分遷移模型試驗，研究結(jié)果表明，重塑黃土的水分遷移特征跟雨型有較大關(guān)系，小雨、大雨以及暴雨狀態(tài)下入滲線分別呈現(xiàn)出“Y”型、“D”型以及“Λ”型的特點. 李達等［14］使用了土體瞬時滲透特性測試儀，對非飽和砂質(zhì)紫色土進行了不同雨強條件下的一維垂直滲透試驗，得到了砂質(zhì)紫色土的非飽和滲透系數(shù)與雨強無關(guān)的結(jié)論. 包含等［15］利用TDR采集水分數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)人工降雨試驗，從土壤含水率和濕潤鋒運移探討了不同雨強對水分入滲以及土壤水分再分布情況. 孫媛等［16］采用了有限差分法，模擬了降雨及降雨停止后砂壤土水分運動的全過程，結(jié)果表明降雨強度對土壤水分再分布有較大影響，中層含水率變化較小，持水能力較強，有利于植物生長.

上述研究對非飽和土體入滲規(guī)律的分析具有重要的現(xiàn)實意義. 但是，目前大多數(shù)研究是考慮雨強、雨型、分層土及初始含水率等因素對降雨入滲規(guī)律的影響，而對于含有不同黏粒含量的非飽和土柱在降雨條件下的垂直入滲規(guī)律的研究相對較少. 本文自主設(shè)計加工了一套一維垂直土柱入滲模型試驗裝置，基于該試驗裝置研究了不同黏粒含量非飽和土柱的入滲規(guī)律，對保護和改良土壤、防止土壤侵蝕、防止水土流失、預(yù)防邊坡失穩(wěn)等工程問題具有十分重要的理論和實踐意義.

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置的設(shè)計

降雨入滲試驗儀器的主體部分為一維垂直土柱，采用厚度為5 mm厚的透明有機玻璃管制造，豎直一維土柱試驗儀器高度為1 m，內(nèi)徑為14 cm，外徑為15 cm，中間用一個法蘭結(jié)構(gòu)連接，便于土柱的安裝和拆卸，土柱下端設(shè)置有排水口，便于排水.降雨入滲試驗裝置儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，圖中結(jié)構(gòu)示意圖代表了整個降雨入滲過程試驗裝置的主要組成部分.

圖1 降雨入滲室內(nèi)試驗儀器圖（單位：mm）Fig.1 Indoor test instrument diagram of rainfall infiltration

一維垂直土柱上方有降雨裝置，由降雨器和蠕動泵組成，蠕動泵可調(diào)節(jié)進入降雨器的水量，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)調(diào)節(jié)每分鐘的出水量，從而換算成相應(yīng)的雨強，降雨器可以用來形成均勻降雨，二者聯(lián)合共同構(gòu)成降雨系統(tǒng)，如圖2和圖3所示. 土柱的左右兩側(cè)分別插入5個土壤水分傳感器和5 個張力計，分別從土柱上端到底部依次編號為1#、2#、3#、4#、5#，用以監(jiān)測土壤的體積水分含率和基質(zhì)吸力. 每個水分傳感器和張力計的間距為15 cm，填土高度為90 cm，以供積水存留. 在土柱側(cè)邊貼上刻度尺以供讀取積水高度，從而可測得入滲量及入滲率的大小.

圖2 蠕動泵Fig.2 Peristaltic pump

圖3 降雨器Fig.3 Rainfall instrument

1.2 試驗儀器

試驗中使用EC-5土壤水分傳感器來測量土體含水率［17-18］，土體是由固、液和空氣組成的三相體系，土體介電常數(shù)受土體含水率影響很大. 該測試儀器使用Decagon公司開發(fā)的EC-5土壤水分傳感器和配套數(shù)據(jù)記錄設(shè)備來測量土壤體積含水率，如圖4所示.

圖4 EC-5土壤水分傳感器Fig.4 EC-5 soil moisture sensor

試驗所使用的張力計是一種新型的電子張力計［19-22］，目的是測量土壤的基質(zhì)吸力，量程范圍為0～100 kPa，該張力計的飽和程序簡單，易操作，具有較高的靈敏度和可靠度，如圖5所示.

圖5 電子張力計Fig.5 Electronic tensiometer

1.3 EC-5土壤水分傳感器標(biāo)定

從EC-5土壤水分傳感器的原理可知，對同一土體，傳感器的輸出信號值與被測土壤的體積含水率之間具有一一對應(yīng)的映射關(guān)系. 因此，試驗前需要對所用的5 支傳感器分別編號為1#、2#、3#、4#、5#，然后配置7%、15%、23%、31%體積含水率的試樣，將不同編號的土壤水分傳感器分別插入到配置好的土樣當(dāng)中，測得土壤水分傳感器所顯示出的電壓值，最后對不同編號的土壤水分傳感器進行標(biāo)定，得到含水率與輸出信號電壓值之間的關(guān)系. 5支傳感器的輸出信號值與體積含水率如圖6所示.

圖6 土壤水分傳感器標(biāo)定曲線Fig.6 Calibration curve of soil moisture sensor

由圖可知，1#、2#、3#、4#、5#傳感器的輸出信號值與體積含水率具有較好的線性關(guān)系，即隨著含水率的增大，電壓值也就越高. 通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，R2基本都在0.95 以上. 通過擬合得到的電壓與體積含水率關(guān)系曲線，可求出不同電壓值所對應(yīng)的體積含水率θW.

1.4 試驗土樣

為研究黏粒含量對非飽和土壤降雨入滲的影響，本試驗選用砂土和高嶺土作為研究對象. 為排除土體非均質(zhì)性的影響，經(jīng)過振篩機篩選粒徑≤2 mm的砂樣. 為減少土樣中的雜質(zhì)對試驗結(jié)果的干擾，裝樣之前使用清水洗滌試樣土，經(jīng)過風(fēng)干再進行試驗. 試驗砂樣的級配曲線如圖7所示，從圖中級配曲線看出，粒徑大于0.25 mm的顆粒超過全重的50%，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中砂土的分類標(biāo)準可知，該試驗土樣為中砂. Cu=d60/d10=0.5/0.15=3.33＜5，顆粒均勻，為均勻中砂. 用此砂樣為試驗土樣，土樣孔隙均勻，不管細觀上還是宏觀上均可看作為均質(zhì)土體. 黏土顆粒選用高嶺土材料，將所需的黏粒摻配到砂土中，然后擊實為干密度1.57 g/cm3的一維垂直土柱.

圖7 顆粒級配累積曲線Fig.7 Cumulative curve of particle gradation

1.5 試驗方案

試驗為模擬不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下一維土柱垂直非飽和入滲特性，分別設(shè)置了黏粒質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、15%、20%、25%的5組模型試驗，具體的試驗方案如表1所示. 降雨強度為50 mm/h，土柱高度為100 cm，填土高度為90 cm，觀測點分別設(shè)置在距離填土表面15、30、45、60、75 cm處.

表1 不同黏粒含量下降雨入滲試驗方案Tab.1 Rainfall infiltration test schemes under different clay contents

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下土柱的入滲率和累積入滲量分析

圖8為不同黏粒含量一維垂直土柱入滲時的入滲率時程曲線，表2 為不同黏粒含量一維垂直土柱入滲時積水點和飽和點出現(xiàn)的時間.

表2 積水點與飽和點出現(xiàn)時間Tab.2 Occurrence time of water accumulation point and saturation point

圖8 同一雨強、不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下入滲率隨時間變化關(guān)系Fig.8 The relationship of infiltration rate with time under the same rain intensity and different clay contents

分析可知，當(dāng)降雨強度相同時，不同黏粒含量對土柱入滲率的影響具有如下特點：

1）由入滲率時程曲線可知，降雨強度相同時，對于不同黏粒含量的土體，其入滲率有較大差異. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為5%和10%時，入滲率均為一條直線，且近似重合，土壤表面沒有積水產(chǎn)生，說明當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為5%和10%時，雨強均小于土壤最小入滲能力，入滲率為降雨強度等于0.083 cm/min.

2）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%、20%、25%時，此時的雨強超過土壤最小入滲能力，試驗過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)會有積水產(chǎn)生. 由圖8和表2 可知，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%時，在前71 min 時間內(nèi)，降雨水分入滲過程中無積水產(chǎn)生，此時土壤水分入滲率等于雨強，土體表面在71 min時刻出現(xiàn)積水，此時入滲率開始逐漸減小，在142 min 時刻，入滲率便減小到一穩(wěn)定值，此后土體入滲率一直穩(wěn)定保持不變；當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，在前21 min 內(nèi)，降雨入滲過程中無積水產(chǎn)生，此時入滲率等于雨強，土體表面在21 min時刻出現(xiàn)積水，此時入滲率逐漸減小，在83 min時刻，入滲率減小到一穩(wěn)定值；當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為25%時，在前11 min時間內(nèi)，降雨入滲過程中無積水產(chǎn)生，此時入滲率等于雨強，土體表面在第11 min 時刻出現(xiàn)積水，此時入滲率開始逐漸減小，在42 min時刻之后，入滲率便減小至一穩(wěn)定值.

3）根據(jù)之前所述，有積水的降雨入滲過程分為3 個階段，由圖8 和表2 可知，當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分數(shù)處于15%～25%范圍時，在第一階段，黏粒質(zhì)量分數(shù)越高，同一雨強下處于第一階段的時間也就越短，積水點依次從71 min減為21 min再減為11 min，且此時土壤水分入滲率均為定值且相同，均等于降雨強度0.083 cm/min.在第二階段非飽和入滲階段，隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，入滲率減小的速度也就越快，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%、20%、25%時，土壤水分入滲率減小至穩(wěn)定含水率的時間間隔依次為71、62、31 min. 在第三階段，隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)依次增加，飽和點出現(xiàn)時間依次減小，且穩(wěn)定入滲率的值隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)增大而減小. 這是由于隨著黏粒含量增加，黏粒填充了較大土體顆粒之間的孔隙，導(dǎo)致土體顆粒之間孔隙減小，土體滲透性變差，土壤飽和滲透系數(shù)越來越低，而穩(wěn)定入滲率為飽和入滲階段，所以隨著黏粒含量增大，其穩(wěn)定入滲率越來越低.

圖9為同一降雨強度下不同黏粒含量土柱的累積入滲量與時間的變化關(guān)系曲線，由圖可知：

1）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為5%和10%時，雨強小于土壤的最小入滲能力，降雨過程中所有水分均滲入到土體內(nèi)部，累積入滲量為一條過原點的直線，直線的斜率為降雨強度，二者累積入滲量曲線近似重合，但是兩者達到土柱底端的累積入滲量不一樣. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為5%時，水分入滲到土柱底端所需要的時間為202 min. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為10%時，水分入滲到土柱底端所需要的時間為284 min. 即隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，雖然此時無積水產(chǎn)生，但是水分運移的速度會減慢，水分到達土柱底端所需時間會變長，相應(yīng)的水分運移到土柱底端時，累積入滲量也會增大.

2）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%、20%、25%時，此時的雨強大于土柱的最小入滲能力，累積入滲量變成了一條上凸的曲線，而不再是一條直線. 這表明隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加，水分入滲速率增速逐漸減慢. 由圖9 可知，在50 min 時刻內(nèi)，五組不同黏粒質(zhì)量分數(shù)的累積入滲量曲線接近重合，說明在前50 min 之內(nèi)，其入滲速率接近一致，而在50 min 之后不同黏粒質(zhì)量分數(shù)土體的累積入滲量差距逐漸增大，在同一時刻下，隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，相應(yīng)的累積入滲量逐漸降低，但降低的幅度存在差異. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、15%時，相同的時間內(nèi)累積入滲量降低的幅度比較小；但隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為20%、25%時，累積入滲量減小幅度較大，其中黏粒質(zhì)量分數(shù)在15%～20%之間時，土體累積入滲量減小幅度最大.

圖9 不同黏粒含量土柱的累積入滲量與時間的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between cumulative infiltration volume of soil columns with different clay contents and time

圖10為土體黏粒質(zhì)量分數(shù)與累積入滲量之間的關(guān)系圖，由圖可知，當(dāng)降雨入滲到土柱底端時，總累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增大而增大，但其增長幅度并不一致，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%以下時，累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加而大幅提高，而當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)在15%以上時，累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加變化不大，原因在于當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)小于15%時，在降雨入滲的過程中并無積水出現(xiàn)，整個土柱的入滲均為非飽和入滲狀態(tài)，此時土壤的峰值體積含水率比較低，因此累積入滲量較小，且隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增大而增大. 而當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%時，降雨入滲過程中出現(xiàn)了積水入滲，土壤的峰值體積含水率接近于土壤飽和含水率，而在黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%以上時土壤飽和含水率隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加增幅不是很大，因此總的累積入滲量并不會隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)而有大幅度提高.

圖10 黏粒質(zhì)量分數(shù)與累積入滲量之間的關(guān)系Fig.10 The relationship between clay mass fraction and cumulative infiltration volume

2.2 監(jiān)測點的土壤體積含水率分析

由圖11同一降雨強度下的監(jiān)測點的含水率時程曲線可知，不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下的峰值含水率存在差異，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%時，土體的峰值含水率分別為20%、28%、35%、37%、38%、40%，由此可知土體的峰值穩(wěn)定體積含水率隨黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸增大. 由圖12可知，土體黏粒質(zhì)量分數(shù)以10%為分界點，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)在10%以下時，此時土體峰值體積含水率較低；隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，峰值體積含水率增量較大；當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)位于10%以上時，峰值體積含水率也隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，但其增量較小.

圖11 50 mm/h雨強及不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下監(jiān)測點體積含水率隨時間的變化關(guān)系Fig.11 The relationship between the volumetric water content of monitoring points and time under the conditions of 50 mm/h rain intensity and different clay contents

圖12 黏粒質(zhì)量分數(shù)與峰值體積含水率的關(guān)系Fig.12 The relationship between the mass fraction of clay particles and the peak volumetric water content

不同黏粒質(zhì)量分數(shù)沙土在相同雨強條件下，濕潤鋒深度隨時間的變化關(guān)系趨勢如圖13所示，在相同降雨條件下，黏粒含量越高，在同一時刻，濕潤鋒運移的距離也就越短，以黏粒質(zhì)量分數(shù)15%為分界點，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)小于15%時，濕潤鋒深度隨時間的變化增幅較??；而當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%時，濕潤鋒深度隨時間變化幅度相對較大.

圖13 濕潤鋒隨時間的變化關(guān)系Fig.13 The relationship between wetting front and time

圖14給出了降雨入滲到土柱底端時，水分入滲到土柱底端所需時間與黏粒質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系，由圖可知，隨著黏粒含量增加，水分入滲土柱底端的時間相對就越長，以黏粒質(zhì)量分數(shù)15%為分界點，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)小于15%時，水分入滲到土柱底端的時間增幅較小，而當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%時（即20%、25%），此時水分入滲到土柱底端所需的時間增幅較大.

圖14 水分運移到土柱底端時間與黏粒質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系Fig.14 The relationship between the time of water migration to the bottom of the soil column and the content of clay particles

2.3 不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下土壤水分特征曲線分析

通過與所測得的土壤水分體積含水率和土壤基質(zhì)吸力進行對應(yīng)，便得到了土壤體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系，將體積含水量與其對應(yīng)的基質(zhì)吸力繪制到一張圖，便可得不同黏粒含量下砂土的土水特征曲線.

由圖15可知，土壤體積含水率與基質(zhì)吸力整體呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，土壤體積含水率隨著基質(zhì)吸力增加而逐漸減小，且隨著土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，體積含水率降低的速率也就越遲緩. 當(dāng)土壤基質(zhì)吸力較小時，其土水特征曲線近似重合，說明此時黏粒質(zhì)量分數(shù)對基質(zhì)吸力影響較小. 而隨著基質(zhì)吸力增大，其土水特征曲線差異性明顯增大，當(dāng)基質(zhì)吸力為80 kPa 時，10%、15%、20%、25%黏粒質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)的體積含水率分別為7%、10%、13%、16%，說明體積含水率隨著黏粒含量增加而逐漸增大，這也表明提高土壤黏粒含量可以增大土壤基質(zhì)吸力.

圖15 不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下的土水特征曲線Fig.15 Soil-water characteristic curves under different clay contents

為得到不同黏粒含量下沙土體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，采用VG模型進行擬合，土體殘余含水率為7%，飽和含水率按照試驗設(shè)計容重1.57 g/cm3，將試驗用的砂土和黏粒質(zhì)量分數(shù)烘干，利用環(huán)刀法測量土體飽和含水量. 結(jié)果在容重1.57 g/cm3下，黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%的飽和含水率θs為36.3%、37.0%、37.5%、37.9%、38.4%、38.9%.

由圖16可知，土壤的飽和含水率與黏粒質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，黏粒含量越大，飽和含水率也就越大，即土壤的持水能力隨著黏粒含量的增大而增大，通過進行線性擬合，得到擬合公式：

圖16 不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下的飽和含水率Fig.16 Saturated water content under different clay contents

其中：y為土壤飽和體積含水率；x為土壤黏粒質(zhì)量分數(shù).

采用VG模型［1］（見公式（2））對不同黏粒含量下的土水特征曲線進行擬合，VG模型里面共有4個參數(shù)，已知θr，θs前面已經(jīng)給出，因此擬合未知量為α.

其中：θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；α是與進氣吸力相關(guān)的參數(shù)；φ是基質(zhì)吸力；n和m是形狀系數(shù)，并且m=1-1/n.

利用公式（2），對所得到的實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，曲線擬合所得的α值、n值、m值結(jié)果如表3所示.

表3 不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下土壤水分特征參數(shù)擬合值Tab.3 Fitting values of soil moisture characteristic parameters under different clay contents

在VG模型當(dāng)中，土壤水分特征曲線的擬合參數(shù)有m、n、α，其中m是與曲線斜率有關(guān)的參數(shù)，n是與土體孔隙均勻性有關(guān)的參數(shù)，α是與土體進氣狀態(tài)有關(guān)的參數(shù). 由表5可知，α值、n值、m值均隨著黏粒質(zhì)量分數(shù)的增大而減小. 這是由于當(dāng)砂土含有黏粒時，隨著黏粒含量增大，以及隨著土壤吸力增加時，含水量的減少較為緩慢，因此曲線的斜率坡度越來越緩和. 通過對α進行線性擬合，對n進行二次函數(shù)擬合，結(jié)果如下：α=-0.005 61CC+0.32，R2=0.96；n=4.947-0.313CC+0.007CC2，R2=0.99，其中CC代表黏粒質(zhì)量分數(shù).

由此可以得到不同黏粒質(zhì)量分數(shù)條件下的土水特征曲線公式，知道砂土中黏粒質(zhì)量分數(shù)即可以得到其體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系：

3 結(jié)論

降雨入滲過程是土壤水循環(huán)的重要過程，也是土質(zhì)邊坡誘發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的重要因素. 本實驗通過自行設(shè)計加工的試驗裝置對初始體積含水率為7%，土體容重為1.57 g/cm3的一維垂直土柱進行了5組不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下的入滲試驗研究，得到了如下主要結(jié)論：

1）黏粒質(zhì)量分數(shù)對垂直土柱的入滲影響較大，當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)小于10%時，降雨強度小于土體的最小入滲能力，垂直土柱的入滲率時程曲線為一平行于橫軸的直線，入滲率等于降雨強度且恒等于0.083 cm/min；當(dāng)黏粒質(zhì)量分數(shù)大于15%時，降雨強度大于土體的最小入滲能力，垂直土柱的入滲率時程曲線呈現(xiàn)無壓入滲、有壓入滲和飽和入滲三階段變化.

2）從不同黏粒含量下積水點和飽和點的時間節(jié)點可知，積水點和飽和點隨著黏粒含量的增大而減小.

3）累積入滲量和土壤穩(wěn)定含水率分別以黏粒質(zhì)量分數(shù)15%和10%為拐點，兩側(cè)增幅并不一致，左邊增幅較大，右邊增幅較小.

4）從監(jiān)測點體積含水率的分布可知，垂直土柱上表面的體積含水率并不是迅速達到飽和，而是經(jīng)過由非飽和到暫態(tài)飽和再到飽和的一個過程，體積含水率隨著黏粒含量的增加而線性增加.

5）研究中運用VG模型擬合分析了不同黏粒質(zhì)量分數(shù)下的土水特征曲線，結(jié)果顯示黏粒質(zhì)量分數(shù)越高，α值、n值和m值都減小，α值與黏粒質(zhì)量分數(shù)是線性關(guān)系，n值與黏粒質(zhì)量分數(shù)是二次函數(shù)關(guān)系.