趙瑞華，韋文智，廖麗萍?，文海濤，楊云川，許英姿

(1.廣西大學土木建筑工程學院，530004，南寧；2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室，530004，南寧；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，530004，南寧；4.廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測站，530028，南寧)

桂東南容縣花崗巖風化土在天然狀態(tài)下呈硬塑態(tài)、抗剪強度高，但遇水易崩解軟化，因此，在亞熱帶季風氣候與充沛的降雨激發(fā)作用下，花崗巖風化土易失穩(wěn)誘發(fā)崩崗、滑坡等地質災害[1-2]，不僅造成嚴重的水土流失，而且掩埋農田、房屋和公路，嚴重威脅到人民的生命財產安全，制約當地社會經濟的發(fā)展。崩崗侵蝕、滑坡形成均與降雨入滲過程及其土體自身的滲透性質相關[3]，因此，探明該區(qū)域花崗巖風化土的土水特征與非飽和狀態(tài)時的滲透性是準確理解崩崗侵蝕過程與機理、滑坡形成的重要基礎[4]。

土水特征曲線一般用含水率(或飽和度)與基質吸力的關系曲線來定量描述。目前，濾紙法、滲析法、壓力板儀法等常用的試驗方法雖然能獲得一定范圍的數據，但是難以描述整個基質吸力范圍內的土水特征。因此，國內外學者采用Van Genuchten模型[5](簡稱VG模型)、Gardner模型[6]和Brook &Corey模型[7](簡稱BC模型)及各種修正模型等來克服上述缺陷。然而，實際應用中并沒有嚴格劃分上述模型的使用范圍[8]。

非飽和土滲透系數與飽和土顯著不同的是：它與含水率及基質吸力等密切相關，隨時間變化。這是因為非飽和土孔隙中氣體的存在，使得氣液界面形成一層收縮膜，其不僅能堵塞水流動的通道，而且能影響水在土體骨架中的分布。如果工程設計將非飽和土滲透系數當作常量來考慮，計算結果勢必會出現較大的誤差[9]。可見，準確認識非飽和滲透系數具有重要的工程意義[10]。然而，因基質吸力的存在，穩(wěn)態(tài)法、瞬時截面法及濕潤鋒前進法等直接測定非飽和滲透系數的方法存在成本高、耗時費力及測量精度不準確等缺點。為了避免上述缺點，國內外學者采用經驗模型、宏觀模型、統計模型等間接方法獲得非飽和滲透系數。此外，在缺乏飽和滲透系數的條件下，葉為民等[10]還針對工程的不同需求，建立了土水特征曲線與相對滲透系數的關系。

花崗巖風化土這類特殊土具有強區(qū)域異質性，其土水特征及其非飽和滲透系數是否有別于其他區(qū)域的風化土？其特性如何？有待深入探討。因此，筆者以桂東南容縣花崗巖風化土為研究對象，采用壓力膜儀法開展脫濕試驗，研究各初始干密度條件下花崗巖風化土的土水特征，分析VG、Gardner和BC模型的適用性，預測非飽和風化土的相對滲透系數及探討滲透系數的差異，旨為崩崗侵蝕過程與機理、滑坡形成研究提供科學支撐。

1 研究區(qū)概況

桂東南容縣(E 110°15′00″～110°53′00″，N 22°27′00″～23°07′00″)地處北回歸線以南，面積2 257.39 km2。巖土體類型為巖漿巖、碎屑巖、變質巖和第四系松散土體，其中，巖漿巖的分布面積最大，占55.83%，巖性為花崗巖?；◢弾r風化層最厚可達30 m。因為花崗巖風化土的表層依次為殘積土、全風化土，且該層也是崩崗(圖1a)發(fā)育與滑坡(圖1b)滑動面的主要區(qū)域[2]，因此，筆者以花崗巖殘積土和全風化土為重點研究對象。

圖1 容縣六王鎮(zhèn)野外調研照片Fig.1 Field survey photos of Liuwang town in Rong county

2 試驗設計與方法

試驗土體為容縣滑坡高易發(fā)區(qū)-六王鎮(zhèn)[2]典型滑坡的花崗巖殘積土和全風化土，取樣剖面自上而下依次為殘積土層(揭露厚度為11～20 m，圖1c)、全風化土層(揭露厚度為10～15 m，圖1d)、強風化層(揭露厚度為1～2 m)及中～弱風化層。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》的試驗步驟[11]，獲得花崗巖殘積土和全風化土的最大干密度和最佳含水率分別為1.73 g/cm3和17.20%、1.83 g/cm3和13.77%；2者的物理性質指標和顆粒級配累計曲線如表1和圖2所示。由表1可知，殘積土與全風化土的液限均<50%，塑限指數分別為14.8和8.7。由圖2可知，殘積土主要由砂粒(粒徑0.075～≤2.000 mm)和細粒(粒徑≤0.075 mm)組成，其中，粗砂(0.500～≤2.000 mm)質量分數最高，為36.96%；其次是細粒，為23.54%，而中砂(0.250～≤0.500 mm)和細砂(0.075～≤0.250 mm)質量分數相對較少，分別為10.97%和17.88%。全風化土主要由砂粒組成，其中，粗砂質量分數最高，為36.64%；其次是細砂，為26.33%，而中砂和細粒質量分數僅為11.02%和9.23%。這表明殘積土粒度呈現中間小、兩邊大的特征[12]；全風化土粒度具有“大小”交替變化的特征。根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[13]劃分標準：2種土均屬于砂類土；根據細粒含量、細粒土與A線間的位置[13]，殘積土為粉土質砂，全風化土為含細粒土砂；不均勻系數Cu和曲率半徑Cc分別為26.61、10.40，1.03、0.55；殘積土級配良好，而全風化土級配不良?；谏鲜鰯祿盎◢弾r風化土滑坡勘察中土工原位試驗數據，本試驗土樣的初始干密度被設置為1.3、1.4、1.6和1.7 g/cm3；試驗均設置2個平行試樣，其結果由平均值確定。

圖2 土的粒徑級配累計曲線Fig.2 Cumulative curve of grain size grading of soil

表1 花崗巖殘積土、全風化土的物理性質指標Tab.1 Physical properties of granite residual and fully weathered soil

美國麥克AutoPore IV 9500型壓汞儀開展壓汞試驗，得到各初始干密度的殘積土與全風化土的孔徑分布曲線。因論文篇幅限制，僅展示初始干密度為1.4 g/cm3的殘積土與全風化土的孔徑分布曲線(圖3)。由圖可知，全風化土的孔徑分布較殘積土均勻，且孔徑分界點較??；2種土的孔徑范圍為1～106nm，曲線呈現“雙峰”特征。根據Kodikara等人對孔隙的劃分標準[14]可知，殘積土與全風化土的孔隙主要為顆粒間孔隙(4～103nm)與集聚體間孔隙(104～106nm)。

利用美國1500型15 bar壓力膜儀開展土水特征曲線試驗(圖4，時間：2020年7—11月)，采用擊實法制備重塑土樣。首先根據初始干密度及質量含水率(均設置為14%)配置土料，然后倒入制樣桶中，經均勻錘擊后取出土餅，用已涂抹凡士林的切土刀將土餅削成略大于環(huán)刀直徑的土柱，隨后將環(huán)刀垂直向下壓，邊壓邊削至土樣高出環(huán)刀，再削平環(huán)刀2端土樣及擦凈環(huán)刀外壁，稱量環(huán)刀和土的總質量并測含水率。不斷重復上述操作，直至干密度差值為±0.1 g/cm3和含水率差值為±2%，試樣制備完成；緊接著用真空缸對制備好的試樣進行抽氣并注水飽和，最后放置于陶土板上，逐級加載。每級壓力為：1 kPa→10 kPa→50 kPa→100 kPa→250 kPa→500 kPa→750 kPa→1 000 kPa。每級壓力加載完畢后保持不變，直至排出的水質量不變，試樣被取出稱量為mi。當試驗結束時，試樣被烘干，獲得干土質量為ms。體積含水率可通過下式計算：

圖4 壓力膜儀Fig.4 Pressure film instrument

θ=(mi-ms-m環(huán))/ρwV。

(1)

式中：θ為體積含水率，%；m環(huán)為環(huán)刀質量，g；ρw為水的密度，ρw=1 g/cm3；V為環(huán)刀總體積，cm3。

3 結果與分析

3.1 試驗結果分析

由于初始干密度為1.3 g/cm3的殘積土在抽氣飽和后較難成樣，故此研究不討論該密度。其他試樣的試驗結果如圖5所示。由圖5a可知：初始干密度對殘積土的土水特征曲線影響顯著。當基質吸力<30 kPa時，干密度大的曲線位于干密度小的下方。然而，干密度大的土樣中含有較為細致的孔隙，毛細作用影響較大[15]，導致其失水速率較干密度小的小，因此，隨著基質吸力的增大，干密度大的土水特征曲線位于干密度小的曲線上方。這一現象在武漢非飽和粉質黏土、宜巴紅層軟巖泥化夾層中也出現[16-17]。此外，3種干密度的曲線均包含2階段：第1階段(1～10 kPa)和第2階段(10～1 000 kPa)。第1階段為邊界效應段[18]，體積含水率變化較小。第2階段為過渡段，由2個下降段及1個水平段組成；其中，第1下降段(10～50 kPa)較陡，體積含水率的減小幅度較大，這是因為氣體處于孔隙連通或半連通狀態(tài)。此外，干密度小的土樣排水速度快、曲線斜率大。然而，當基質吸力約為30 kPa時，3種初始干密度的曲線出現交匯點。這是因為雖然干密度存在差異，但是土樣仍具有相同數量的微小孔隙，所以當大、中孔隙的水分完全消散后，它們仍能具有相似的土水特征[19]。這一特征在玄武巖殘積土中也存在[20]。此時，土體內部的優(yōu)勢孔隙主要為集聚體間孔隙。當基質吸力為50～250 kPa時，曲線處于水平段，孔隙處于氣體連通的狀態(tài)[21]。當孔隙到達孔徑分界點[18](圖5a，基質吸力為100 kPa)后，其優(yōu)勢孔隙轉變?yōu)轭w粒間孔隙，體積含水率再次隨基質吸力的增大而減小，曲線進入第2下降段(250～1 000 kPa)。這種現象在初始干密度1.7 g/cm3的土水特征曲線中尤為明顯。已有文獻將分界點前的曲線稱為低吸力段；該點后的曲線稱為高吸力段[18]，因此，殘積土的低吸力段與高吸力段分別為1～100 kPa和100～1 000 kPa。

由圖5b可知，4種干密度全風化土的土水特征曲線均可劃分為4個階段。第1階段(1～10 kPa)：體積含水率的變化較小。第2階段(10～500 kPa)：雖然孔隙中存在分散的氣泡，但是水氣尚未分離，因此，排水通道順暢，土樣脫濕速度快。然而，當基質吸力為50～100 kPa時，體積含水率減幅相對較小，這是因為孔隙水與孔隙氣體相互分離，排水通道受氣體擾動而受到阻礙。第3階段(500～750 kPa)：體積含水率的減小幅度較小，這說明全風化土中的孔隙已到達分界點(圖5b，基質吸力為637 kPa)，此時雖然土體存在2種密度較高的孔隙，即集聚體間孔隙和顆粒間孔隙，但是起控制作用的孔隙已由集聚體間孔隙轉變?yōu)轭w粒間孔隙。第4階段(750～1 000 kPa)：體積含水率減小幅度再次增大，且初始干密度為1.3和1.7 g/cm3的體積含水率的減小幅度較1.4和1.6 g/cm3的顯著，但孔隙均主要為顆粒間孔隙。可見，4種干密度的第1、2、3階段分界點前的曲線分別為低吸力段的邊界效應段、過渡區(qū)的下降段及水平段，第3階段分界點后的曲線和第4階段分別為高吸力段中過渡區(qū)的水平段和下降段。此外，干密度為1.7 g/cm3的曲線基本位于其他3個干密度的最下方。

圖5 風化土土水特征曲線Fig.5 Soil-water characteristic curve of weathered soil

以上結果表明：殘積土與全風化土的土水特征曲線既存在共性，又具有差異性。共性表現在：1)曲線包含邊界效應段和過渡段，均未出現殘余段，呈現類似于紅黏土的“雙臺階”特征[22]。當基質吸力為750～1 000 kPa時，體積含水率均處于再次減小階段，屬于高吸力段中過渡區(qū)的下降段。2)孔隙均到達孔徑分界點[18]，優(yōu)勢孔隙主要為集聚體間孔隙、顆粒間孔隙。差異性表現在：1)在相同的干密度及基質吸力條件下，殘積土的體積含水率均較全風化土的大。2)當基質吸力為1～50 kPa時，殘積土的脫水速率較全風化土的快。然而，當基質吸力為50～250 kPa時，卻呈現相反的規(guī)律。3)殘積土的曲線在基質吸力約為30 kPa處出現交匯點，因此，曲線與初始干密度的關系呈現2種相反的規(guī)律。然而，全風化土的土水特征曲線卻未出現交匯點，程的影響較全風化土的顯著。4)當初始干密度為1.4 g/cm3時，殘積土與全風化土孔徑分界點對應的基質吸力分別為100和637 kPa。

3.2 擬合結果分析

VG模型[5]、Gardner模型[6]和BC模型[7]等3個常用的4參數模型如式(2)至式(5)所示，其擬合參數如表2和表3所示。

表2 殘積土土水特征曲線的擬合參數Tab.2 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of residual soil

表3 全風化土土水特征曲線的擬合參數Tab.3 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of fully weathered soil

VG模型擬合方程：

(2)

式中：θγ為殘余含水率，%；θs為飽和含水率，%；α為進氣潛能因子；ψ為土體基質吸力，kPa；n為孔徑指數；m為曲線密和因子，m=1-1/n。

BC模型擬合方程：

(3)

θ=θs(ψ<ψd)。

(4)

式中：ψd為土壤進氣值；λ為孔徑分布指數，其他參數含義與VG模型相同。

Gardner模型擬合方程：

(5)

式中參數含義與VG模型相同。

由表2及表3可知：

1)雖然殘積土和全風化土孔徑指數n與孔徑分布指數λ因干密度而變化，但是變化范圍均較小。

2)同一干密度的全風化土n較殘積土的小，而λ較大。因為λ和n的關系是λ=2/n+3[23]，所以，λ越大，孔徑分布就越均勻?？梢姡L化土的孔徑分布較殘積土均勻。該結果也與風化土孔徑分布曲線結果相一致。

3)VG及Gardner模型對殘積土的擬合相關系數R2均大于0.94，適用性好；而BC模型的適用性次之。對于全風化土，VG及Gardner模型的R2均>0.93，而BC模型對1.7 g/cm3的R2僅為0.82，可見，VG與Gardner模型對全風化土均有較好的適用性，而BC模型次之。原因有2方面：一是擬合參數的多解性；二是BC模型是一個分段函數，基質吸力大于進氣值會導致擬合相關系數較低。

4 非飽和花崗巖風化土的相對滲透系數

根據3.2節(jié)的結果，選用VG模型[5]與Gardner模型[6]預測風化土的相對滲透系數，結合表2和表3的擬合參數，繪制出相對滲透系數與基質吸力的關系曲線(圖6和圖7)。

VG模型水力傳導表達式[5]：

(6)

Gardner模型水力傳導表達式[6]：

(7)

式中:Kr(ψ)為基質吸力為ψ時的滲透系數與飽和滲透系數比值，其余參數含義同3.2節(jié)。

4.1 殘積土的相對滲透系數

由圖6可見，VG與Gardner模型預測的相對滲透系數具有相似的變化特征：1)相對滲透系數均隨基質吸力的增大而減??；2)在相同的基質吸力條件下，干密度大的相對滲透系數較干密度小的小。然而，2個模型的預測結果存在較大差異，對于干密度為1.4、1.6和1.7 g/cm3的殘積土，VG模型預測的相對滲透系數分別為：8.145×10-8～0.366、4.134×10-8～0.297、1.611×10-8～0.264，而Gardner模型預測的相對滲透系數分別為：7.648×10-4～0.956、3.874×10-4～0.961、3.837×10-5～0.975。特別是當基質吸力為1～10 kPa時，2種模型預測的相對滲透系數最大差距達上100倍，且VG模型預測的相對滲透系數的減小幅度較Gardner模型的大。

圖6 殘積土的相對滲透系數Fig.6 Relative permeability coefficient of residual soil

4.2 全風化土的相對滲透系數

由圖7可見：1)相對滲透系數均隨著吸力的增大而減??；2)對于干密度為1.3、1.4、1.6和1.7 g/cm3的全風化土，VG模型預測的相對滲透系數分別為：6.919×10-7～0.460、4.590×10-7～0.298、3.472×10-7～0.260、1.909×10-7～0.229，Gardner模型預測的相對滲透系數分別為：2.090×10-3～0.985、2.733×10-3～0.987、5.300×10-3～0.988、3.130×10-2～0.992?？梢?，干密度越大，VG模型的相對滲透系數越小，而Gardner模型的相對滲透系數卻越大；3)VG模型的相對滲透系數預測值與Gardner模型的最大差距達數10萬倍；4)VG模型預測值的總體減小幅度較Gardner模型的大。

圖7 全風化土的相對滲透系數Fig.7 Relative permeability coefficient of fully weathered soil

4.3 討論

由4.1和4.2節(jié)可知，2種土的相對滲透系數均隨基質吸力的增大而減小，且Gardner模型的預測曲線較VG模型的平緩。然而，它們卻存在顯著差異，主要為：1)殘積土的VG預測值較全風化土的小，最大差距約10倍，而Gardner預測值的最大差距達上千倍。筆者將VG預測的相對滲透系數與試驗的飽和滲透系數(殘積土1.4、1.6和1.7 g/cm3分別為5.959×10-5、2.653×10-5和1.452×10-5cm/s；全風化土1.3、1.4、1.6和1.7 g/cm3分別為2.641×10-4、1.461×10-4、1.081×10-4和3.451×10-5cm/s)相乘，得到非飽和風化土的滲透系數(圖8和圖9)。由圖8可知，2種土的滲透系數均隨干密度的增大而減??；在相同的條件下，全風化土的滲透系數較殘積土的大，且最大差距為30倍。這間接地反映容縣花崗巖風化土邊坡呈現上弱下強的不均勻空間滲透特性。這類特性與其粒度分布，特別是細粒含量有關[24]。換言之，雖然2種土均由砂粒和細粒組成，但是殘積土中細粒含量較全風化土的多14.31%，因此，殘積土的滲透能力較全風化土的弱。這類滲透差異會影響雨水轉換為土壤水的速率與分布特征，致使斜坡土體抗剪強度空間異質性的發(fā)育，不僅在一定程度上決定著斜坡變形破壞模式[25]，而且對土壤侵蝕也有不容忽視的影響[24]。事實上，研究區(qū)滑坡的形成模式主要有漸進滑動型與突然整體潰滑型，這與入滲差異引起強度不同程度的喪失有關[26]。此外，崩崗侵蝕形式多樣且類型復雜[1]，其中，條型和弧型的數量最多，且部分條形崩崗與滑坡還有著密切的聯系，因為它們在滑坡形成后發(fā)生，并以滑體作為崩積體；滑體作為主要物源，其表層殘積土因被擾動而結構性變差，抗沖蝕能力被削弱，細顆粒被雨水裹挾帶走；隨后侵蝕溝槽形成并擴大，滑體表層出現明顯的水流粗化現象；雨水易穿透至全風化土層內，致使其強度喪失，龕形成并擴大，造成上部含水率大的土體因內力不平衡而塌陷，最終溯源侵蝕不斷發(fā)生[27]，致使嚴重的水土流失，影響邊坡的長期穩(wěn)定性。2)殘積土相對滲透系數的減小幅度均大于全風化土，且2模型的相對滲透系數均隨著干密度的增大而減??；然而，Gardner預測的全風化土相對滲透系數卻隨著干密度的增大而增大。上述現象的主要因素為：土體類型、預測模型、擬合參數α和n對曲線位置和形態(tài)的綜合影響[23]、基質吸力和干密度。例如，當α相同時，n越大，土水特征曲線的斜率越小；當n相同時，α越大，相對滲透系數曲線越陡。由表2及表3可見，在Gardner模型中，當殘積土的干密度由1.4增至1.7 g/cm3時，α之間僅相差0.005～0.020，而n卻增大0.4左右，此時圖6中干密度1.7 g/cm3的殘積土相對滲透系數曲線斜率較其他2個密度的小，且更靠近坐標系的左下方；當全風化土的干密度由1.3增至1.7 g/cm3時，α之間僅相差0.001～0.007，而n卻減小0.2左右，此時圖7中全風化土的相對滲透系數呈現與殘積土不一致的規(guī)律。

圖8 殘積土的滲透系數Fig.8 Permeability coefficient of residual soil

圖9 全風化土的滲透系數Fig.9 Permeability coefficient of fully weathered soil

5 結論

1)殘積土與全風化土土水特征曲線過渡段包含2個下降段及1個水平段，具有“雙臺階”特征，其孔隙主要為集聚體間孔隙、顆粒間孔隙。然而，殘積土的孔徑分界點卻較全風化土的大，其脫濕過程受初始干密度的影響也較全風化土的顯著。

2)殘積土與全風化土的孔徑指數n與分布指數λ變化范圍均較小。然而，同一干密度條件下，全風化土仍具有較低的n和較高的λ，孔徑分布較殘積土的均勻。

3)VG與Gardner模型對殘積土與全風化土土水特征曲線擬合的相關系數R2均>0.93，適用性最好；而BC模型的R2最低僅有0.82，適用性次之。

4)非飽和風化土的相對滲透系數與土體類型與性質、預測模型、擬合參數α和n的綜合影響等有密切關系。風化土相對滲透系數隨著基質吸力的增大而減??；VG和Gardner預測的殘積土相對滲透系數隨著干密度的增大而減小，而Gardner預測的全風化土相對滲透系數曲線卻呈現相反的規(guī)律；殘積土和全風化土滲透系數的差異間接反映了容縣花崗巖風化土邊坡的滲透性質呈現上弱下強的不均勻特征，在一定程度上會影響斜坡變形破壞模式與崩崗侵蝕特征。

以上研究成果不但能為花崗巖風化土的非飽和滲流計算提供基礎參數，而且將為深入分析花崗巖風化土崩崗、滑坡形成過程中的水土力學作用機制做準備。然而，本研究的脫濕試驗未能獲得高吸力條件下的殘余段，且未探討分析各影響因子對滲透系數及滑坡不同形成模式的影響，因此，筆者將在后續(xù)的研究中深入開展相關工作。