考慮豎向附加應(yīng)力作用的一維垂直土柱儀研制與應(yīng)用

張 林，張登飛，陳存禮，龐騰騰，孫佩娜

(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所/陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

黃土是具有較強(qiáng)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(shí)，會(huì)加速水分運(yùn)移而使黃土體力學(xué)特性劣化，導(dǎo)致黃土滑坡及其次生災(zāi)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(zāi)害，其中以甘肅天水和陜西延安兩地爆發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害最為典型[1]。顯然，頻發(fā)的黃土重大災(zāi)害已嚴(yán)重影響到黃土地區(qū)人民的生活、生產(chǎn)和社會(huì)安全穩(wěn)定，深入探討這些地質(zhì)災(zāi)害問題致災(zāi)機(jī)制、提出有效防控與遏制措施迫在眉睫[2]，而首要任務(wù)便是弄清在降雨條件下考慮應(yīng)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(bào)道，這些研究關(guān)注了降雨或積水入滲與毛細(xì)上升兩個(gè)方面。對(duì)于第一點(diǎn)，覃小華等[3]利用研制的一維土柱垂直入滲試驗(yàn)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(yàn)儀，實(shí)現(xiàn)了土體滲流路徑、入滲鋒面移動(dòng)速率、滲透水量等參數(shù)的測(cè)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下不同泥質(zhì)膠結(jié)物含量砂巖滲透力學(xué)性能的異同，進(jìn)行了不同泥質(zhì)含量砂巖三軸壓縮滲透試驗(yàn)。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(yùn)移過程；姚志華等[8]對(duì)黃土的積水入滲和水平入滲進(jìn)行了研究，分別得到了不同壓實(shí)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?yuàn)A砂土柱一維積水入滲試驗(yàn)，研究了夾砂層對(duì)入滲強(qiáng)度、濕潤鋒行進(jìn)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(duì)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(jìn)行了原狀土和重塑土不同荷載等級(jí)下滲透試驗(yàn)；何俊等[12]開展不同圍壓和溫度下黏土的柔性壁滲透試驗(yàn)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(jī)理。對(duì)于第二點(diǎn)，苗強(qiáng)強(qiáng)等[13]利用土柱儀對(duì)非飽和含黏砂土進(jìn)行了毛細(xì)上升試驗(yàn)，得到了試樣不同斷面的含水率和吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律，揭示毛細(xì)上升規(guī)律；李萍等[14]對(duì)隴東高原馬蘭黃土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)毛細(xì)上升試驗(yàn)，研究黃土中毛細(xì)上升速率，并與根據(jù)Terzaghi理論以及Lu提出的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究；杜紅普等[15]測(cè)定了砂土的毛細(xì)吸滲上升過程及穩(wěn)定時(shí)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(xì)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(jìn)而引起滲透特性的變化?；诖耍瑸楦玫靥剿鲬?yīng)力作用下土體的水分入滲或毛細(xì)上升規(guī)律，揭示土體的固結(jié)與滲流耦合特性，針對(duì)非飽和土-水作用模式，聯(lián)合相關(guān)試驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備嘗試性研制，擬研制出可模擬豎向附加應(yīng)力作用下土體降雨、積水入滲或毛細(xì)上升的土柱試驗(yàn)裝置。由于野外試驗(yàn)環(huán)境的制約，室內(nèi)土柱試驗(yàn)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(rèn)可。在試樣尺寸方面，與應(yīng)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(yàn)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(shè)計(jì)時(shí)考慮了這方面的缺陷，用豎向加載裝置為整個(gè)試驗(yàn)過程提供穩(wěn)定荷載。同時(shí)考慮到實(shí)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(chǔ)上進(jìn)行了多樣化改造，其目的是能夠廣泛應(yīng)用于不同類型的相關(guān)工程問題中。采用高精度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置組成和特點(diǎn)

1.1 土柱儀組成及技術(shù)參數(shù)

該儀器由試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)過程中可以自動(dòng)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(yīng)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(yàn)臺(tái)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(jī)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(jì)[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(yàn)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(yīng)力標(biāo)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(gè)截面面積50 mm×60 mm、高度750 mm的馬氏瓶以及2個(gè)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(qiáng)度，通過移動(dòng)水箱高度測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)降雨裝置通過水的流量來標(biāo)定降雨強(qiáng)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(jì)，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(biāo)定；張力傳感器標(biāo)定時(shí)壓力與輸出信號(hào)成線性關(guān)系[16](圖3)。

圖3 張力傳感器標(biāo)定圖Fig.3 Calibration diagram of tension sensor

1.2 功能和特點(diǎn)

(1)試驗(yàn)條件模擬

結(jié)合豎向加載裝置可對(duì)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(qiáng)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(yàn)，可研究尺寸效應(yīng)對(duì)增濕濕陷特性的影響。

(2)試驗(yàn)過程可視

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

(3)試驗(yàn)參數(shù)獲取

增濕前，在不同豎向壓力下對(duì)土柱進(jìn)行固結(jié)，通過位移計(jì)獲得土柱固結(jié)變形量。增濕過程中，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)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(dòng)記錄土柱壓力下增濕過程中測(cè)試截面體積含水率、吸力、變形量和馬氏瓶中水的流量，同時(shí)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(shí)，獲取參數(shù)時(shí)，無需考慮固結(jié)變形、增濕變形量。

(4)飽和滲透特性研究

當(dāng)入滲量較大時(shí)，如土柱積水試驗(yàn)，水充滿整個(gè)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(dá)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(yàn)研究方法相同，可以獲得豎向應(yīng)力作用下土的飽和滲透系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)步驟

下面主要以豎向附加應(yīng)力下的積水入滲試驗(yàn)為例對(duì)儀器的使用進(jìn)行說明。

(1)將黃土碾碎后過1 mm孔徑的篩子，測(cè)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(shí)均勻，采用分層壓實(shí)，每層壓實(shí)高度50 mm。壓實(shí)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(dá)到壓實(shí)位置即停止。每層壓實(shí)完后對(duì)壓實(shí)面打毛，再進(jìn)行下一層壓實(shí)，最終制成預(yù)定干密度、高度、直徑為150 mm的圓柱狀試樣，試驗(yàn)前對(duì)各傳感器進(jìn)行標(biāo)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(jì)。為防止土樣擾動(dòng)，避免土樣破壞及裂縫產(chǎn)生，水分計(jì)、張力計(jì)安裝時(shí)探頭探針位置用鉆子預(yù)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(jì)、張力計(jì)與有機(jī)玻璃管接觸位置進(jìn)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(jìn)行下一步。

(3)試驗(yàn)時(shí)用豎向加載裝置對(duì)土柱進(jìn)行預(yù)固結(jié)，用位移計(jì)測(cè)量固結(jié)過程的壓縮變形。對(duì)積水入滲試驗(yàn)，調(diào)整馬氏瓶高度控制水頭高度，先迅速加水至設(shè)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(jìn)水口液面的相對(duì)高度，試驗(yàn)中保持水頭穩(wěn)定。無豎向附加應(yīng)力作用時(shí)，增濕過程中由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄滲水時(shí)間、入滲流量、體積含水率和吸力測(cè)量值。有豎向附加應(yīng)力作用時(shí)，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(jì)、張力計(jì)，在土柱不同位置取環(huán)刀樣并測(cè)含水率，用于校正測(cè)量值。

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

2 土柱儀應(yīng)用及結(jié)果分析

2.1 不同豎向附加應(yīng)力下各參數(shù)時(shí)程曲線

下面僅以不同豎向附加應(yīng)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(jìn)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(yàn)，按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行，試驗(yàn)過程可控條件多，所研制土柱儀操作簡單、靈活?，F(xiàn)只針對(duì)1-1截面(圖4)，獲得不同豎向附加應(yīng)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(shí)程曲線圖(圖5)?？梢钥闯觯瑐鞲衅鞣磻?yīng)靈敏，試驗(yàn)曲線符合滲透規(guī)律，初步驗(yàn)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(shí)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(yīng)力下浸潤峰行進(jìn)(滲水速率)較快，隨后逐漸減小(圖5a，b)，這是因?yàn)樗疂B入一段時(shí)間后，土樣上部逐漸達(dá)到暫態(tài)飽和，土柱的入滲能力被削弱，浸潤峰行進(jìn)(滲水速率)減慢。是否施加豎向壓力對(duì)浸潤峰行進(jìn)(滲水速率)有明顯的影響，隨著豎向附加應(yīng)力的增大而減緩，這是因?yàn)樨Q向附加應(yīng)力使土顆粒之間孔隙減少，顆粒排列更加緊密，導(dǎo)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(shí)際防水工程中可以利用加載加壓的方式增加土體的密實(shí)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(yàn)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(shí)間增長，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處體積含水率和吸力在不同豎向附加應(yīng)力下呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。當(dāng)有豎向附加應(yīng)力作用時(shí)，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(yīng)力的增大，水傳至傳感器的時(shí)間點(diǎn)，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率、吸力開始變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)增長，表明豎向附加應(yīng)力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yīng)力下有不同程度的壓縮，無豎向附加應(yīng)力作用時(shí)，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(yīng)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?yàn)橥林谠鰸袂暗拓Q向應(yīng)力下變形小，高應(yīng)力下變形大，增濕過程中隨著豎向應(yīng)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(yīng)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(yàn)在確定滲水系數(shù)時(shí)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(guān)。當(dāng)土的濕度較大時(shí)，濕潤峰獲取較為困難。因此，針對(duì)本次土柱積水入滲試驗(yàn)采用瞬態(tài)截面法法計(jì)算滲水系數(shù)[10]，這就需要測(cè)定計(jì)算截面的滲水速率與水力梯度。

(1)計(jì)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(shí)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(cè)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(shí)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(duì)式(1)進(jìn)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(shí)刻土柱頂面的水流速率；

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

ΔV——VA+VB之和，可通過梯形面積計(jì)算。

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

(4)

(2)計(jì)算截面的水力梯度確定。在tave時(shí)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(shí)間關(guān)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(cè)截面吸力；

γw——水的重度。

(3)計(jì)算截面的滲透系數(shù)確定。根據(jù)達(dá)西定律，即可確定出在tave時(shí)刻在截面zave處，0.5(szave,t1+szave,t2)吸力對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)為：

(6)

2.2.2不同豎向附加應(yīng)力下滲水系數(shù)的確定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照前述方法計(jì)算滲水系數(shù)，繪出滲水系數(shù)kw與吸力Ψ關(guān)系曲線(圖8)。

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

由圖8可知，增濕時(shí)曲線皆呈現(xiàn)先陡后緩的上升變化趨勢(shì)。在吸力較大時(shí)，氣體充滿大孔隙，此時(shí)滲水系數(shù)較小。隨著入滲，水?dāng)D占空氣進(jìn)入大孔隙，當(dāng)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(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這與文獻(xiàn)[5]中在三軸壓力條件下和文獻(xiàn)[10]中土柱在豎向壓力下非飽和土的kw～Ψ關(guān)系相似。隨著豎向附加應(yīng)力增大，滲水系數(shù)在增濕過程中呈規(guī)律減小，這與文獻(xiàn)[11]對(duì)飽和土的研究類似，這是因?yàn)樨Q向附加應(yīng)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(duì)無豎向附加應(yīng)力作用試驗(yàn)部分結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)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(yàn)在近飽和狀態(tài)時(shí)滲水系數(shù)為1.99×10-4cm/s?？梢钥闯觯瑑煞N試驗(yàn)方法所得滲水系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)，相差近2倍，表明了滲透試驗(yàn)存在明顯的尺寸效應(yīng)，一般由常規(guī)滲水試驗(yàn)所得滲水系數(shù)偏于安全，但土柱滲水較常規(guī)滲水試驗(yàn)水遷移路徑更長，切近實(shí)際滲透情況，試驗(yàn)方法具有一定可行性。

3 結(jié)論

(1)考慮豎向附加應(yīng)力對(duì)非飽和土體滲透特性的影響，開發(fā)了一維垂直土柱試驗(yàn)裝置。功能上可模擬豎向附加應(yīng)力作用下降雨、積水垂直入滲、毛細(xì)上升工況，可清楚觀察水的入滲過程，可測(cè)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(shí)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(shí)程曲線；當(dāng)土柱增濕至飽和時(shí)，可以測(cè)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(yīng)力作用下土柱積水入滲試驗(yàn)，分析入滲量、濕潤鋒、體積含水率、吸力及豎向變形時(shí)程線變化規(guī)律。同一壓力下浸潤峰行進(jìn)(滲水速率)較快，隨后逐漸減小，是否施加豎向附加應(yīng)力對(duì)浸潤峰行進(jìn)(滲水速率)有明顯的影響，隨著豎向附加應(yīng)力的增大而減緩；豎向附加應(yīng)力作用改變了滲水路徑，從而影響了監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率和吸力的變化；入滲前，土柱的固結(jié)對(duì)增濕時(shí)土柱濕陷變形有較大影響。基于瞬態(tài)剖面法基于瞬態(tài)剖面法可獲得不同截面處增濕時(shí)土的非飽和滲透系數(shù)與吸力關(guān)系，發(fā)現(xiàn)非飽和土滲透系數(shù)與吸力、豎向應(yīng)力變化密切相關(guān)。

(3)由試驗(yàn)結(jié)果可知，傳感器反應(yīng)靈敏，試驗(yàn)曲線符合入滲規(guī)律，驗(yàn)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(chǔ)。