非飽和弱膨脹土土-水特征曲線擬合與滲透系數(shù)模型預(yù)測(cè)

丁小剛，余云燕，藺文博，金依蕊

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州，730070)

蘭新(蘭州—烏魯木齊)高速鐵路的建成運(yùn)營(yíng)為我國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)核心區(qū)的形成及“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，該線路沿線(新疆哈密段)在聯(lián)調(diào)聯(lián)試前期出現(xiàn)多處地基膨脹上拱病害，查閱原地勘及設(shè)計(jì)資料和試驗(yàn)取樣分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)膨脹土系典型侏羅系沉積巖，含微量蒙脫石等強(qiáng)親水性黏土礦物，具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性等膨脹特性[1]，水環(huán)境的改變往往引起膨脹土的干縮或濕脹，決定膨脹土路基的變形程度，影響線路的安全運(yùn)營(yíng)。水分在非飽和土中的遷移使得土體的滲透性、膨脹性呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[2]，量測(cè)非飽和膨脹泥巖的土水特性、滲透特性，可以將泥巖的膨脹特性與滲透特性相互聯(lián)系起來以評(píng)估地基的服役狀態(tài)。因此，有必要對(duì)該地區(qū)膨脹土的土水特性及滲透特性進(jìn)行相關(guān)研究。

土的骨架變形規(guī)律和流體的流動(dòng)規(guī)律構(gòu)成了非飽和土力學(xué)的基本框架[3]，土骨架系統(tǒng)包括固相和氣液交界面(收縮膜)。為研究土骨架結(jié)構(gòu)的改變對(duì)土水特性的影響，張?zhí)畦さ萚4-5]通過壓汞試驗(yàn)及掃描電鏡試驗(yàn)探究了壓實(shí)作用對(duì)膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響，李同錄等[6-8]分析了孔隙結(jié)構(gòu)的改變對(duì)土水特征曲線的影響。吸力的變化體現(xiàn)在土體的強(qiáng)度特征，反映于土體骨架結(jié)構(gòu)，而流體系統(tǒng)中的氣相和骨架間的相互作用使得土體的非飽和土滲透特性復(fù)雜化?？紤]到直接測(cè)量土體的滲透系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求高，且耗時(shí)費(fèi)力，多數(shù)學(xué)者采用間接方法計(jì)算得到土體的非飽和滲透系數(shù)，其中，由CHILDS 等[9]基于孔隙分布函數(shù)和Darcy定律提出的Childs &Collis-George 模型(CCG 模型)，由將Brooks-Corey 土水特征曲線模型代入Burdine 模型建立的BCB 模型和將土水特征曲線VG 模型代入Mualem 模型建立的VGB 模型[10-11]以及陶-孔模型[12]，均可對(duì)非飽和土的滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中，CCG 模型在膨脹土領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13-14]，在取得土水特征曲線的基礎(chǔ)上分別采用Childs&Collis-Geroge模型求得不同地區(qū)非飽和膨脹土的滲透系數(shù)、含水率、基質(zhì)吸力的關(guān)系，預(yù)估不同性質(zhì)膨脹土的非飽和滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律。然而，地區(qū)差異對(duì)土體非飽和特性影響不可忽略，且鮮有考慮壓實(shí)作用引起的土骨架變形對(duì)其非飽和滲透特性的影響，因此，有必要針對(duì)具體特定地區(qū)的土體非飽和特性進(jìn)行研究。

針對(duì)上述問題，本文作者采用壓力板儀(0～0.5 MPa)和濾紙法(0.01～40 MPa)試驗(yàn)進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)，基于壓汞試驗(yàn)測(cè)試壓實(shí)作用對(duì)新疆哈密地區(qū)重塑弱膨脹土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，采用室內(nèi)變水頭法試驗(yàn)測(cè)定土體飽和滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律，并基于Fredlund &Xing 模型[15]和Childs &Collis-Geroge模型[9]對(duì)非飽和重塑弱膨脹土的滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合不同地區(qū)膨脹土CCG 模型滲透系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，以探究孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙分布的改變對(duì)土-水特征曲線及土體飽和滲透系數(shù)的影響及其發(fā)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自新疆哈密地區(qū)沿線上拱病害地段，采用鉆機(jī)鉆芯取樣，取樣深度為8～13 m，系典型侏羅系沉積巖，呈泥狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易軟化崩解，其基本特性見表1。該區(qū)毗鄰天山山脈，主要水源為雪山融水，由附近植被及地下水滲出情況可知，該地帶有豐富的地下水源。

表1 膨脹土試樣基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and physical indicators of expansive soil samples

2 試驗(yàn)過程

2.1 壓力板法試驗(yàn)

試驗(yàn)采用美國(guó)GCTS 所產(chǎn)SWCC-150 Fredlund土水特征壓力儀，該壓力儀由垂直氣動(dòng)加載裝置、壓力板儀組件、控制面板和水體積測(cè)量系統(tǒng)4部分組成。

使用液壓千斤頂制取初始干密度分別為1.4，1.6 和1.8 g/cm3的環(huán)刀樣，試驗(yàn)選用進(jìn)氣值為500 kPa 的陶土板，試驗(yàn)開始前，分別對(duì)陶土板和環(huán)刀試樣進(jìn)行浸水飽和，再進(jìn)行逐級(jí)加壓排水試驗(yàn)。吸力路徑為20 kPa→40 kPa→60 kPa→80 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa，期間不間斷讀數(shù)。每次讀數(shù)前用洗耳球排空氣泡，并于兩側(cè)水體變管穩(wěn)定后進(jìn)行下級(jí)加壓，每級(jí)吸力平衡需10 d左右。

2.2 濾紙法試驗(yàn)

濾紙法試驗(yàn)遵循熱力學(xué)平衡原理，其采用濾紙和環(huán)刀樣直接接觸法，通過濾紙與土體在水分傳遞上達(dá)到平衡測(cè)量基質(zhì)吸力；非接觸試驗(yàn)方法能夠通過濾紙與空氣中的水分達(dá)到平衡測(cè)量總吸力。試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 濾紙法試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of filter paper test

采用國(guó)產(chǎn)“雙圈”牌No.203 型慢速濾紙測(cè)量基質(zhì)吸力，由下列濾定曲線方程[16]進(jìn)行分析：

式中：ψ為土體基質(zhì)吸力，kPa；wfp為濾紙質(zhì)量含水率，%。

試驗(yàn)步驟如下：

1)將“雙圈”濾紙置于烘箱烘干12 h備用。

2)將土樣碾細(xì)并過2 mm篩，置于恒溫烘箱恒溫105 ℃烘干8 h。

3)使用環(huán)刀制樣器和液壓千斤頂制備初始干密度分別為1.4，1.6 和1.8 g/cm3的3 組直徑為61.8 mm、高為20 mm 的環(huán)刀樣，以4%含水率為初始含水率，2%含水率為梯度，配制10組不同含水率的土樣，并制備平行試樣。

4)試驗(yàn)采用圓形密封盒作為試驗(yàn)容器，在盒底放置3張濾紙，其中兩側(cè)濾紙為保護(hù)濾紙，其直徑略大于環(huán)刀直徑；中間濾紙為接觸法測(cè)量濾紙，其直徑同環(huán)刀直徑。

5)使用配套的密封墊圈進(jìn)行密封處理并置于恒溫25～27 ℃的試驗(yàn)箱中平衡10 d。

6)采用精度為0.000 1g的電子天平迅速測(cè)量濾紙含水率。

2.3 壓汞試驗(yàn)

壓汞法(mercury intrusion porosimetry,MIP)是基于水銀對(duì)固體表面的不可濕潤(rùn)性，假設(shè)多孔材料是由大小各異的圓筒型毛細(xì)管構(gòu)成，根據(jù)毛細(xì)管內(nèi)液體升降原理量測(cè)材料的微觀孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)WASHBURN 方程[17]得到水銀所受壓力p和毛細(xì)管半徑R的關(guān)系如下：

式中：p為壓入水銀壓力，N·m2；σ為水銀的表面張力，取σ=0.485 N/m；α為所測(cè)多孔材料與水銀的濕潤(rùn)角，試驗(yàn)取α=130°；R為毛細(xì)管半徑，m。

試驗(yàn)分別制作初始干密度為1.4，1.6和1.8 g/cm3的3組重塑土樣，采用冷凍干燥法干燥試樣。

2.4 飽和滲透試驗(yàn)

飽和滲透系數(shù)試驗(yàn)采用TST-55滲透儀變水頭法進(jìn)行測(cè)定，依據(jù)TB10102—2010“鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程”進(jìn)行試驗(yàn)。分別制作初始干密度(ρd)為1.4，1.5，1.6，1.7和1.8 g/cm3的5組重塑土樣，并制備平行試樣，試驗(yàn)結(jié)果取均值。

3 結(jié)果分析和評(píng)價(jià)

3.1 土-水特征曲線

采用壓力板試驗(yàn)(吸力范圍為0～0.50 MPa)和濾紙法試驗(yàn)(吸力范圍為0.01～40.00 MPa)得到不同初始干密度(ρd)下新疆非飽和弱膨脹土的土-水特征曲線(SWCC)，如圖2所示。由圖2可知：在不同初始干密度下，膨脹土土-水特征曲線均近似呈“S”形，在相同初始干密度下，膨脹土基質(zhì)吸力均隨體積含水率增加而呈非線性減??；而在相同體積含水率下，膨脹土基質(zhì)吸力隨初始干密度增加而呈現(xiàn)不同程度的增加。

圖2 新疆非飽和弱膨脹土的土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves of Xinjiang unsaturated weakly expansive soil

為得到不同初始干密度對(duì)新疆非飽和弱膨脹土基質(zhì)吸力和土-水特征曲線發(fā)展規(guī)律的影響，分別采用3種典型SWCC模型(Van Genuchten模型(VG 模型)、Fredlund &Xing 模型(F-X 模型)(見式(3)和(4))和Gardner 模型)，對(duì)試驗(yàn)所得不同初始干密度下基質(zhì)吸力與體積含水率的土水-特征曲線進(jìn)行擬合。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)redlund &Xing 模型的擬合系數(shù)R2均達(dá)到0.980 以上，其擬合效果比V-G 和Gardner 模型的優(yōu)，更適用于新疆非飽和弱膨脹土吸力擬合分析，其擬合參數(shù)如表2所示。

表2 F-X模型擬合SWCC參數(shù)Table 2 F-X model fitting SWCC parameters

1)Fredlund&Xing模型：

式中：θ為體積含水率，%；θs為飽和體積含水率，%；C(ψ)為修正函數(shù)；Cr為殘余基質(zhì)吸力，kPa；e為自然對(duì)數(shù)常數(shù)，取2.718 28；a，m和n為擬合參數(shù)。

2)Van Genuchten模型：

式中：b，m，n為擬合參數(shù)，m=1-1/n。

3)Gardner模型：

3.2 孔徑分布曲線

由壓汞試驗(yàn)得到孔隙直徑與累計(jì)汞壓入體積關(guān)系，繪制3組不同初始干密度下新疆非飽和弱膨脹土的孔徑分布曲線(pore size distribution,PSD)，如圖3所示。

壓汞法孔徑分布曲線反映不同壓實(shí)程度下膨脹土微觀孔徑分布規(guī)律。由圖3可知：試樣的孔隙直徑分布在6～106nm 之間，膨脹土孔徑分布曲線呈初始三峰狀分布并逐漸趨于雙峰狀過渡，對(duì)應(yīng)的孔徑范圍分別為6～77 nm(峰Ⅰ)、550～3 900 nm(峰Ⅱ)和6 800～91 683 nm(峰Ⅲ)。隨壓實(shí)程度增加，中、小孔隙部分孔隙分布曲線峰值和峰寬波動(dòng)較小，大孔隙部分峰值降幅顯著且明顯左移，峰寬略有減小，孔徑分布曲線逐漸趨于雙峰狀。

圖3 新疆非飽和弱膨脹土的孔徑分布曲線Fig.3 Pore size distribution curves of unsaturated weakly expansive soil in Xinjiang

參照張英等[18]對(duì)孔徑的分類方法，將孔徑(d)劃分為小孔(6＜d≤300 nm)、中孔(300＜d≤6 800 nm)和大孔(d＞6 800 nm)。按劃分的孔徑分別進(jìn)行不同區(qū)間孔隙體積統(tǒng)計(jì)，如圖4所示，得到壓實(shí)作用使得土體內(nèi)部孔隙總體積累計(jì)減少量為28.09%，大、中和小孔隙總體積累計(jì)減少量分別為60.00%，12.36%和-3.16%，且小孔隙體積分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)，壓實(shí)作用對(duì)膨脹土孔隙分布、孔隙體積及體積分?jǐn)?shù)影響顯著。

圖4 初始干密度對(duì)孔隙體積影響Fig.4 Influence of initial dry density on pore content

3.3 飽和滲透系數(shù)

變水頭滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)參照試驗(yàn)依據(jù)TB10102—2010“鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程”進(jìn)行，測(cè)得滲透儀出水口處水溫為18 ℃。實(shí)驗(yàn)以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，水的動(dòng)力黏度比(ηt/η20)取值為1.050。得到重塑弱膨脹土飽和滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 飽和弱膨脹土滲透儀系數(shù)ks測(cè)試結(jié)果Table 3 Saturated permeabilities of loess in tests

為分析初始干密度對(duì)飽和滲透系數(shù)的影響，基于最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示。

圖5 飽和滲透系數(shù)與干密度關(guān)系Fig.5 Relationship between saturated permeability coefficient and dry density

從圖5可知：重塑弱膨脹土的飽和滲透系數(shù)隨初始干密度增加而呈現(xiàn)非線性降低趨勢(shì)；在初始干密度為1.4～1.5 g/cm3之間時(shí)，重塑土滲透系數(shù)快速下降；在初始干密度大于1.5 g/cm3時(shí)，重塑土滲透系數(shù)緩慢減小，尤其是在1.7～1.8 g/cm3之間時(shí)重塑土滲透系數(shù)變化很小，趨于穩(wěn)定，即膨脹土的飽和滲透系數(shù)經(jīng)歷滲透系數(shù)驟減、緩慢降低和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。

3.4 土體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土-水特性的影響

結(jié)合土-水特征曲線(圖2)和孔隙分布曲線(圖3)可知：重塑非飽和弱膨脹土的土-水特征曲線符合孔隙分布曲線三峰態(tài)分布規(guī)律，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下SWCC 走勢(shì)呈臺(tái)階狀，結(jié)果與PSD 曲線三峰狀分布相符合。土的土-水特性受孔隙分布控制，膨脹土基質(zhì)吸力均隨體積含水率增加而呈非線性減小，隨壓實(shí)程度增加而呈現(xiàn)不同程度增加。結(jié)合PSD曲線可認(rèn)為：當(dāng)初始干密度較小時(shí)，土顆粒之間的孔隙較發(fā)育，大孔隙體積占比大；隨初始干密度增加，土骨架被破壞，壓實(shí)、重組甚至填充，大孔隙體積減小，小孔隙數(shù)量增加明顯且土體總孔隙數(shù)量增加，因此，土體基質(zhì)吸力增加。

結(jié)合試樣孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和飽和滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律(圖5)可知：隨著初始干密度增加，峰Ⅲ的峰值、峰寬降幅明顯，試樣中部分大孔隙被破壞、壓實(shí)、填充密實(shí)或轉(zhuǎn)化成其他更小直徑的孔隙，總孔隙、大孔隙體積明顯減小。土體滲流主要依靠連通的大孔隙，因此，土體飽和滲透系數(shù)隨之減?。划?dāng)土體初始干密度較大、孔隙體積趨于穩(wěn)定時(shí)，再增大初始干密度、減小孔隙比，飽和膨脹土的滲透系數(shù)變化不大。

4 非飽和弱膨脹土滲透系數(shù)預(yù)測(cè)

當(dāng)土體中同時(shí)存在水、氣兩相時(shí)，氣相對(duì)水相的運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生阻滯或推動(dòng)作用，使得非飽和土中水相滲透規(guī)律較飽和土更為復(fù)雜和多變。滲透系數(shù)取決于土體的體積含水率θ，θ反映于土體吸力ψ，ψ受土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的控制。CHILDS等[9]利用充水孔隙空間的形狀提出了預(yù)測(cè)滲透系數(shù)的Childs &Collis-Geroge 模型，該模型被KUNZE等[19]進(jìn)行了多次修改，結(jié)合土水特征曲線Fredlund&Xing 擬合模型，建立任意孔徑分布基礎(chǔ)上的非飽和土滲透系數(shù)預(yù)測(cè)模型，將利用F-X模型得到的土水特征曲線沿體積含水率軸等分為N份，以每份中點(diǎn)的基質(zhì)吸力計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)kr(ψ)。

某一特定體積含水率下的滲透系數(shù)k(θi)是將相應(yīng)于θi及低于θi的體積含水率的基質(zhì)吸力求和。相對(duì)滲透系數(shù)的積分形式為

式中：kr(θ)為相對(duì)滲透系數(shù)；θL為最低容積體積含水率。

若任意土體吸力ψ所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)是以飽和滲透系數(shù)ks為參考，則滲透系數(shù)k(ψ)為

對(duì)于所有種類的土體而言，與零含水率對(duì)應(yīng)的總吸力本質(zhì)是相同的，且該值約為106 kPa，并且通過各種土壤的試驗(yàn)和熱動(dòng)力學(xué)研究得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。Fredlund＆Xing 提出了一個(gè)描述整個(gè)吸力范圍(0～106 kPa)內(nèi)的土-水特征曲線的一般方程式(見式(3))，因此，基于F-X土-水特征曲線模型，結(jié)合修正的Childs&Collis-Geroge模型可得到土體相對(duì)滲透系數(shù)表達(dá)式如下：

式中：b1=ln(106)；ψaev為進(jìn)氣值；y為吸力對(duì)數(shù)的積分虛擬變量；θ′為式(3)的導(dǎo)數(shù)。

式(9)可采用數(shù)值積分方法來計(jì)算，假設(shè)a1和b1分別為積分的上、下限，則

將[a1,b1]等分成N段，用Δy表示分段的長(zhǎng)度，則

對(duì)于在進(jìn)氣值ψaev和106 kPa 之間的任何吸力ψ，ln(ψ)均介于a1和b1之間。假定ln(ψ)在第j個(gè)區(qū)間[yi,yi+1]中，則式(9)可以簡(jiǎn)化為

式中：yi為第i個(gè)區(qū)間[yi,yi+1]的中點(diǎn)；ln(ψ)對(duì)應(yīng)于第j個(gè)區(qū)間[yj,yj+1]。

根據(jù)Childs&Collis-Geroge 模型，結(jié)合土-水特征曲線F-X模型，將土水特征曲線按體積含水率分為20 等分，并將各等分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力代入式(13)，計(jì)算得到非飽和滲透系數(shù)k(ψ)，見表4。

表4 新疆非飽和重塑弱膨脹土滲透系數(shù)Table 4 Permeability coefficient of unsaturated remolded weak expansive soil in Xinjiang

通過弱膨脹土的土-水特征曲線，建立非飽和滲透系數(shù)與體積含水率、基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖6所示，并對(duì)滲透規(guī)律進(jìn)行擬合分析，得到初始干密度 分 別 為1.4，1.6 和1.8 g/cm3時(shí)lgk(ψ)-θ和lgk(ψ)-ψ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如式(14)～(19)所示。

圖6 不同初始干密度下新疆非飽和弱膨脹土滲透系數(shù)Fig.6 Unsaturated permeability coefficient of weak expansion soil in Xinjiang at different initial dry densities

當(dāng)初始干密度為1.4 g/cm3時(shí)，

當(dāng)初始干密度為1.6 g/cm3時(shí)，

當(dāng)初始干密度為1.8 g/cm3時(shí)，

由圖6可知：lgk(ψ)與基質(zhì)吸力和含水率的關(guān)系可分別通過二次多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)形式表示，R2均大于0.98，擬合關(guān)系顯著。結(jié)合表4中滲透系數(shù)與體積含水率的關(guān)系可知：土體的滲透性參數(shù)隨吸力或含水率增加而呈非線性變化，重塑膨脹土的滲透系數(shù)隨初始干密度增加而降低，隨巖土體基質(zhì)吸力增加而減小，隨含水率增大而增加。

非飽和土中水體流動(dòng)主要是重力水(或弱結(jié)合水)參與，水的流動(dòng)均受重力作用控制。對(duì)于不同粒徑的非飽和土體，在減飽和過程中，相同吸力增量的大孔隙優(yōu)勢(shì)土層所能排出水的體積遠(yuǎn)比小孔隙優(yōu)勢(shì)土層的大。結(jié)合圖2中孔隙分布曲線可知，壓實(shí)作用使得土中峰Ⅲ(大孔徑孔隙)體積累計(jì)降低60%，且土體原本連通的大孔隙被不斷破壞、填充或轉(zhuǎn)化為更小直徑的孔隙，孔隙間連通性降低，因此，隨初始干密度增加，土顆粒間孔隙被進(jìn)一步壓縮、填充，大孔隙體積減小，孔隙間連通性下降，小孔隙優(yōu)勢(shì)增加，在相同吸力增量下，土體排水能力降低，土體滲透系數(shù)減小。

5 不同地區(qū)膨脹土CCG 模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

許多學(xué)者采用Childs&Collis-Geroge對(duì)不同地區(qū)膨脹土滲透系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，分別考慮初始干密度和土體膨脹能力差異對(duì)非飽和土滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律的影響，本文選取文獻(xiàn)[13,20-21]中典型Childs&Collis-Geroge 模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 不同地區(qū)膨脹土CCG模型預(yù)測(cè)對(duì)比Fig.7 Comparison of CCG model predictions for expansivesoils in different regions

為提高滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用壓力板試驗(yàn)(0～0.5 MPa)和濾紙法試驗(yàn)(0.01～40 MPa)對(duì)新疆哈密地區(qū)高速鐵路弱膨脹土分別測(cè)量低、高吸力范圍的土-水特征曲線，并基于Fredlund&Xing 和CCG 模型得到不同初始干密度下的重塑弱膨脹土非飽和滲透規(guī)律。由圖7可知：該地區(qū)非飽和弱膨脹土的滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力增大(體積含水率降低)而呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì)；在相同體積含水率下，土體滲透系數(shù)隨初始干密度增大而減?。辉诓煌跏几擅芏认?，滲透系數(shù)發(fā)展趨勢(shì)(曲線斜率)基本一致，且相鄰兩干密度間隔內(nèi)滲透系數(shù)曲線波動(dòng)在1個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。

賀雷等[20-21]通過壓力板法試驗(yàn)，分別對(duì)湖北宜昌和廣西寧明地區(qū)重塑弱膨脹土低吸力范圍(0～0.5 MPa)土-水特征曲線進(jìn)行測(cè)試，并基于Van Genuchten 模型和CCG模型得到不同初始干密度下的重塑弱膨脹土非飽和滲透系數(shù)。由圖7還可知：湖北宜昌地區(qū)弱膨脹土滲透系數(shù)受土體初始干密度影響較小，且不同初始干密度下滲透系數(shù)發(fā)展趨勢(shì)(曲線斜率)基本一致；廣西寧明地區(qū)初始干密度為1.96 g/cm3的弱膨脹土滲透系數(shù)均小于本文結(jié)果(新疆哈密地區(qū))和湖北宜昌地區(qū)中干密度為1.8 g/cm3的滲透系數(shù)，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中曲線位置更低，且該滲透系數(shù)曲線發(fā)展趨勢(shì)(曲線斜率)與新疆、湖北地區(qū)中的基本一致。戴張俊等[13]借助陶土板進(jìn)氣值為1.5 MPa的壓力板儀，通過水體積變化系數(shù)的變化規(guī)律，得到河北地區(qū)非飽和中膨脹土的滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律。由圖7可知：該地區(qū)土體體積含水率小于10%時(shí)，土體滲透系數(shù)接近本文同條件下土體的滲透系數(shù)，隨體積含水率增加，滲透性曲線逐漸靠近干密度更大的土體滲透性曲線；在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，文獻(xiàn)[13]中，中膨脹性土體各初始干密度下試樣的滲透性曲線斜率均小于弱膨脹土曲線斜率，并基于此推斷強(qiáng)膨脹性土體滲透性曲線斜率小于中或弱膨脹土曲線斜率，與文獻(xiàn)[13]中結(jié)論相符合。

為探究土體滲透特征與其初始干密度和土體膨脹潛勢(shì)的關(guān)系，采用控制變量原理分別對(duì)兩因素影響下的土體滲透系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合本文土體孔隙結(jié)構(gòu)分析可知：在相同膨脹潛勢(shì)、不同初始干密度下，壓實(shí)作用使得土體孔隙總體積減小，大孔隙數(shù)量降低，小孔隙占比增加，孔隙間連通性降低，使得在相同基質(zhì)吸力下，隨著土體初始干密度越大，土體進(jìn)氣值越大，非飽和滲透系數(shù)越小，土體表現(xiàn)出更好的持水性能，且不同地區(qū)土體性質(zhì)差異等因素的影響使得相同密度狀態(tài)下滲透系數(shù)存在一定程度的波動(dòng)；在相同初始干密度、不同膨脹潛勢(shì)下，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下滲透系數(shù)曲線斜率均小于相同初始干密度下弱膨脹土體曲線斜率，其原因?yàn)橥馏w次生黏粒礦物(蒙脫石、伊利石和高嶺石)含量的差異使得中膨脹性土體在吸濕過程中體積變化比弱膨脹性土體更劇烈，土體內(nèi)部大孔隙被不斷壓縮、破壞甚至填充，大孔隙體積減少，孔隙連通性逐漸降低，因此，在相同初始干密度條件下，其滲透系數(shù)比弱膨脹土增長(zhǎng)更緩慢，土體持水性能更好。

6 結(jié)論

1)膨脹土孔徑分布曲線基本呈三峰狀分布，隨初始干密度增加，膨脹土總孔隙體積減少約28.09%，中、小孔隙體積維持穩(wěn)定，占比增加，大孔隙體積明顯減小，膨脹土孔徑分布曲線逐漸趨于雙峰狀分布。

2)利用壓力板儀、濾紙法試驗(yàn)測(cè)得膨脹土0～40 MPa吸力范圍的土-水特征曲線，基質(zhì)吸力隨含水率增加呈非線性減小趨勢(shì)，隨初始干密度增大，土體進(jìn)氣值與殘余基質(zhì)吸力均增大。

3)非飽和重塑弱膨脹土滲透系數(shù)與土體孔隙結(jié)構(gòu)、體積含水率和基質(zhì)吸力均有密切關(guān)系。隨初始干密度的增大，土骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大孔隙體積降低，孔隙連通性下降，小孔隙體積增加，土體吸力增大，滲透系數(shù)減小。對(duì)于膨脹土，吸濕膨脹亦會(huì)導(dǎo)致土骨架壓縮變形，引起吸力和滲透系數(shù)增減。

4)土體非飽和滲透系數(shù)受干密度和膨脹潛勢(shì)的共同影響，初始干密度越大，土體密實(shí)程度越高，孔隙結(jié)構(gòu)越緊密，滲透系數(shù)越?。慌蛎洕搫?shì)越強(qiáng)，土體滲透曲線斜率越小，土體持水性能越好。