黃土填方場地工后持水特性及雨水入滲研究

李曉敏,穆青翼,丁心安,朱文秀,劉奉銀

(1.西安思源學院，陜西 西安 710038；2.西安交通大學，陜西 西安 710049; 3.西安理工大學, 陜西 西安 710048)

近年來，黃土地區(qū)城鎮(zhèn)建設面臨較多黃土高填方工程問題，研究黃土高填方場地的持水特性及雨水入滲，是解決回填壓實黃土不均勻沉降和失穩(wěn)的關鍵[1]。當黃土高填方工程完成后，處于不同深度的回填壓實黃土應力狀態(tài)和所經歷的干濕循環(huán)歷史不相同，這將導致不同深度的回填壓實黃土雖具有相同的壓實狀態(tài)，但其持水特性并不相同。另一方面，在進行黃土高填方雨水入滲分析時，往往多采用某一確定深度測得的持水特征曲線，影響分析的準確性。

針對黃土持水特性，國內外學者做了廣泛深入的研究。結果表明，影響持水特征曲線的因素主要包括含水率、干密度、溫度、干濕循環(huán)、應力狀態(tài)等[2-6]。趙天宇等[2]研究結果表明干濕循環(huán)作用會降低壓實黃土持水能力。王娟娟等[3]研究表明相同試驗含水率下黃土的基質吸力隨制樣含水率增加而增大。穆青翼等[4]研究表明原狀、壓實和重塑黃土即使具有相同的初始干密度，經歷兩次干濕循環(huán)的持水特性和滯回度變化規(guī)律差異顯著。陳存禮等[5]研究表明當豎向應力低于400 kPa，應力變化對黃土持水特征曲線影響較小，可用零應力狀態(tài)持水特性曲線代替；而當豎向應力高于400 kPa，必須考慮應力狀態(tài)對黃土持水特征曲線影響。Hou等[6]將非飽和區(qū)的孔隙水壓力分布分為表面活躍區(qū)、穩(wěn)定區(qū)域和濕潤鋒區(qū)三部分，認為減少黃土高填方滑坡發(fā)生概率的最可行方法是控制或降低灌溉量。魏寧等[7]數值模擬結果表明，在同一降雨量下，與雨強大而持時短的暴雨相比較，雨強小而持時長的降雨對邊坡土體穩(wěn)定更加不利。朱才輝等[8]土柱模型試驗結果表明，降雨強度不僅影響壓實黃土的雨水入滲深度和入滲速率，還會影響土體入滲鋒面的形態(tài)特征。以上文獻綜述進一步表明目前在進行降雨入滲計算時，大多采用唯一的持水特征曲線進行分析，尚無考慮不同深度黃土由于經歷干濕循環(huán)歷史不同導致持水特性差異對雨水入滲計算的影響。

本研究針對某黃土高填方場地取回的不同深度回填壓實黃土，黃土填方場地工后持水特性及雨水入滲研究開展壓力板儀持水特征曲線測試，結合X射線衍射試驗、壓汞試驗和含水率變化的現(xiàn)場監(jiān)測結果，揭示其持水特性規(guī)律。此外，將實測不同深度回填壓實黃土持水特征曲線和飽和滲透系數作為輸入參數，模擬降雨，研究不同深度回填壓實黃土水力學參數變化對雨水入滲計算的影響。

1 試驗概況

本研究所用回填壓實黃土取自某高填方場地，取土深度為1.0 m～9.0 m，取土和運輸過程中最大限度減少土體擾動。依據《土工試驗規(guī)程》[9](SL 237—1999)，測得黃土飽和度和干密度隨深度變化情況，結果如圖1所示。地表以下1.0 m～6.0 m飽和度逐漸增加，這是由于隨深度增加水分蒸發(fā)量逐漸減少；在6.0 m～9.0 m范圍內，飽和度基本保持在75%左右。另一方面，1.0 m、3.0 m和5.0 m深度處黃土的干密度非常接近，分別為1.51 g/cm3、1.57 g/cm3和1.52 g/cm3(差距小于4%)；而隨深度繼續(xù)增加，黃土密實度迅速增大，這是由于7.0 m以下存在較為密實的古土壤。因此，為保持研究的一致性，選擇5.0 m以上的回填壓實黃土作為持水特性的研究對象。

圖2顯示了從2018年4月1日至12月1日期間深度1.0 m、3.0 m和5.0 m處黃土體積含水率變化的現(xiàn)場監(jiān)測結果。對于1.0 m黃土，從2018年4月1日至6月26日期間，體積含水率有波動但總體變化并不明顯，這可能是因為水分的日蒸發(fā)量和入滲量在春天基本達到平衡。6月26日至8月6日期間，由于降雨黃土的體積含水率出現(xiàn)兩次快速增長，隨后體積含水率逐漸降低，這是由于夏季高溫水分蒸發(fā)量增多的緣故。顯然1.0 m黃土在監(jiān)測期間經歷了兩次明顯的干濕循環(huán)。對于3.0 m黃土，其體積含水率變化和1.0 m黃土非常類似，只是3.0 m黃土體積含水率快速增長發(fā)生在7月3日，并從7月13日開始逐漸降低，3.0 m黃土體積含水率快速增長和降低的發(fā)生時間均比1.0 m黃土延后一周左右。值得注意的是，在整個監(jiān)測期間，5.0 m黃土的體積含水率基本保持不變，這表明氣候變化對于5.0 m以下黃土的含水率影響可忽略。

圖1 回填壓實黃土飽和度和干密度隨深度分布

圖2 不同深度黃土體積含水率變化的現(xiàn)場監(jiān)測結果

表1為所測試黃土的基本物理性質指標。1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的液限分別為30.3%、30.7%和31.5%，塑限分別為12.5%、12.1%和12.9%，由此可見，取樣深度對塑限和液限影響也可忽略。依據《土的工程分類標準》[10](GB/T 50145—2007)，所取黃土屬于低液限黏土(CL)。

表1 黃土的物理性質指標

采用密度計法測定1.0 m、3.0 m和5.0 m黃土粒徑分布曲線如圖3所示。結果顯示:1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的粒徑分布非常接近，黏粒(≤0.005 mm)含量在14.0%～17.6%之間，粉粒(0.005 mm～0.075 mm)含量在77.9%～82.0%之間。因此，取樣深度對回填壓實黃土粒徑分布影響很小。

圖3 不同深度黃土粒徑分布曲線

2 試驗設備及方案

本研究中持水特性試驗采用1500F1型壓力板儀。該試驗儀器由壓力室、加壓設備(空壓機、過濾器和壓力表)和排水系統(tǒng)組成，其中壓力板儀的工作原理是軸平移技術[11]。試驗時將土樣放在壓力室中飽和陶土板上，陶土板下水槽通過細軟管與外界大氣連通。如以水槽為基準面可認為試樣中孔隙水壓uw等于零，通過改變壓力室內的氣壓ua對試樣施加不同的吸力(ua-uw)。

待脫濕或吸濕穩(wěn)定后，將試樣從壓力室內取出并稱重，計算各級吸力下試樣的含水率，穩(wěn)定標準為24小時內含水率變化小于0.04%，通常每級氣壓下需要6至15天達到穩(wěn)定，脫水需要的穩(wěn)定時間比吸水更久一些。本文持水特征曲線的測定涉及到施加0.1 kPa小吸力，由于儀表盤精度有限，無法利用直接增大壓力室氣壓的方法來實現(xiàn)，因此通過調節(jié)排水口至試樣以下0.01 m(此時試樣中的孔壓為-0.1 kPa)施加該小吸力值[4]。

壓汞試驗采用AutoPore IV 9500型壓汞儀。首先將土體切削成尺寸約為5 mm×5 mm×5 mm的立方體，然后采用液氮冷凍法進行脫濕[11]。將制備好的土樣依次放入壓汞儀的低壓和高壓倉中進行測試，獲得孔徑分布。

3 試驗結果及分析

3.1 壓汞試驗結果及分析

壓汞試驗測得的1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的孔徑分布如圖4所示，從圖中可以看出：對于1.0 m黃土，孔徑分布曲線呈現(xiàn)三個峰值，其主要大孔隙、中孔隙和小孔隙直徑分別為7.20 μm, 1.30 μm和0.04 μm。依據文獻可知，單峰[12]、雙峰[13]和三峰[11]孔徑分布曲線對于黃土均可能出現(xiàn)，不同的孔徑分布模式可能與黃土不同的沉積或壓實過程有關。對于3.0 m黃土，其孔徑分布與 1.0 m黃土相似，只不過3.0 m黃土的大孔隙相對更小一些(5.8 μm)；對5.0 m黃土而言，其孔徑分布幾乎和1.0 m黃土一致。3.0 m黃土的大孔隙相比于1.0 m和5.0 m黃土更小一些，這可能是由于3.0 m黃土的孔隙比(0.71)比1.0 m和5.0 m黃土的孔隙比(0.78和0.77)分別小9.9%和8.5%的緣故。

圖4 不同深度黃土孔徑分布

3.2 持水特性試驗結果及分析

1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土吸濕-脫濕-再吸濕持水特征曲線如圖5所示。其中，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土初始狀態(tài)吸力分別為87.5 kPa、33.7 kPa和31.5 kPa。從初始狀態(tài)開始吸力逐漸減小，土樣吸水，含水率逐漸增大，0.1 kPa時三個土樣各自達到飽和體積含水率(接近100%)，接著經歷脫濕路徑吸力增大至400 kPa，含水率逐漸減小，之后再次吸濕至初始狀態(tài)吸力值。

圖5 不同深度黃土持水特征曲線

不同取樣深度的回填壓實黃土持水特征曲線明顯不同。由脫濕曲線確定的1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的進氣值分別為5.7 kPa、9.6 kPa和6.5 kPa，即3.0 m回填壓實黃土的進氣值比1.0 m和5.0 m黃土的進氣值分別高出41%和32%。從壓汞儀的試驗結果可以看出，3.0 m黃土的大孔隙直徑(5.8 μm)比1.0 m和5.0 m黃土的大孔隙直徑(7.2 μm)小24%。進氣值是指空氣侵入飽和土孔隙使孔隙水開始排出時所對應的吸力值，土中大孔隙越小，使空氣侵入飽和土孔隙中所需要的吸力值越大，因此，3.0 m黃土的進氣值相對最高。此外，從圖中還可明顯看出，隨著取樣深度增大，干濕循環(huán)路徑得到的持水特征曲線滯回圈逐漸增大。

根據Lu等[14]的滯回度定義，即某一吸力下土樣在脫濕-吸濕路徑下含水率的差值與含水率平均值的比值，本文計算了不同深度黃土持水特征曲線在不同吸力水平下的滯回度，結果如圖6所示。從圖中可看出，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的滯回度先隨吸力的增大而增大，滯回度在20 kPa吸力時達到峰值，之后隨吸力增大滯回度逐漸減小。5.0 m回填壓實黃土的平均滯回度為0.23，比1.0 m和3.0 m回填壓實黃土的平均滯回度(0.04和0.05)分別大475%和360%。值得注意的是，5.0 m黃土的孔隙比(0.77)和1.0 m黃土的孔隙比(0.78)非常接近，而5.0 m黃土的孔隙比僅比3.0 m黃土的孔隙比(0.71)大7.8%。

圖6 不同深度黃土持水特征曲線滯回度

持水特征曲線產生滯回效應的原因有：①孔隙通道不均勻截面直徑造成的“瓶頸效應”；②脫吸濕過程中接觸角差異的影響；③脫吸濕過程中封閉氣泡的存在；④干濕循環(huán)歷史引起的時效作用。從1.0 m、3.0 m、5.0 m回填壓實黃土的微結構分析(顆分、X射線衍射試驗和壓汞試驗)，它們的粒徑分布、礦物組成和孔隙分布模式都較相似。根據現(xiàn)場含水量監(jiān)測結果，回填壓實黃土表層3.0 m以內受外界降雨和蒸發(fā)影響較為劇烈，5.0 m以下回填壓實黃土含水量基本未受外界環(huán)境影響。因此1.0 m和3.0 m黃土持水特征曲線較小滯回度可歸結于現(xiàn)場多次干濕循環(huán)引起的時效作用。

4 雨水入滲數值模擬

從持水特性試驗結果可以看出，盡管1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的干密度非常接近(差距小于4%)，它們的持水特征曲線明顯不同。因此，采用有限元軟件GeoStudio中的SEEP/W模塊，分析土柱在降雨條件下，由于不同深度回填壓實黃土工后經歷干濕循環(huán)歷史不同所造成的水力學參數(持水特征曲線和飽和滲透系數)差異對雨水入滲計算的影響。

4.1 水力學參數選取

計算非飽和土中滲流，需求解非飽和土達西定律，該方程包含持水特征曲線和非飽和滲透系數曲線兩個參數。本文采用Fredlund & Xing[15]模型對試驗測得不同深度回填壓實黃土吸濕持水特征曲線進行擬合：

(1)

其中:θw為體積含水率;θs為飽和體積含水率;s為基質吸力;a、n和m為擬合參數。模型中擬合參數a、m、n的數值列于表2中，此外，擬合曲線的R2值均在0.95以上。

表2 Fredlund & Xing模型持水特征曲線擬合參數

利用TST-55型滲透儀在變水頭下測定不同深度回填壓實黃土試樣的飽和滲透系數，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的飽和滲透系數分別為9.08×10-5m/s、2.34×10-5m/s和8.76×10-5m/s。將擬合持水特征曲線和飽和滲透系數作為參數輸入，根據GeoStudio軟件中自帶算法，可計算1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土非飽和滲透系數曲線。

4.2 土柱模型的建立

本文建立的土柱模型如圖7所示，深度為6.0 m，寬度為2.0 m。坐標系零點位于地表處，有限元網格單元尺寸按照0.05 m進行劃分，共4 961個節(jié)點、4 800個單元。模型底部為不透水邊界，兩側為零流量邊界，頂部為降雨入滲面，本文選取暴雨(24 h降雨量50 mm)情況，降雨強度2.08 mm/h，降雨歷時24 h。

首先，分別將1.0 m、3.0 m、5.0 m回填壓實黃土的持水特征曲線和飽和滲透系數輸入到整個土柱模型中進行計算，簡稱為：整體1.0 m模型、整體3.0 m模型、整體5.0 m模型。其次，按照實際情況對土柱進行分層，土柱頂部以下0.0 m～2.0 m范圍內輸入1.0 m黃土的水力學參數，土柱頂部以下2.0 m～4.0 m范圍內輸入3.0 m黃土的水力學參數，土柱頂部以下4.0 m～6.0 m范圍內輸入5.0 m黃土的水力學參數，簡稱為：分層模型。通過比較各模型中孔隙水壓力和體積含水率變化規(guī)律，研究不同深度黃土由于經歷干濕循環(huán)歷史不同所導致持水特性差異對雨水入滲計算的影響。

圖7 有限元土柱模型

4.3 模擬結果分析

壓力板儀試驗已測得1.0 m、3.0 m和5.0 m黃土的初始孔隙水壓力分別為-87.5 kPa、-33.7 kPa和-31.5 kPa。為便于比較不同深度黃土持水特性對土柱雨水入滲的影響，統(tǒng)一取-50 kPa的平均初始孔壓輸入到上述四種模型中，通過穩(wěn)態(tài)分析為上述四種土柱模型賦予相應的初始孔壓分布。穩(wěn)態(tài)分析后土柱內初始孔壓保持在-49.04 kPa，對應的整體1.0 m、3.0 m、5.0 m模型的初始體積含水率分別為22.69%(見圖8)、20.73%(見圖9)和22.53%(見圖10)。而圖11中，由于分層模型中不同深度采用不同的持水特征曲線，即使在施加相同的孔壓邊界時，各土層的初始體積含水率并不相同，穩(wěn)態(tài)分析后地表以下1.0 m～2.0 m和5.0 m～6.0 m的初始孔壓保持在-49.04 kPa(分別對應22.69%和22.53%的初始體積含水率)，地表以下3.0 m附近土體初始孔壓保持在-47.5 kPa(對應20.88%的初始體積含水率)。

整體1.0 m模型計算結果如圖8所示。降雨1 h后雨水入滲到地表以下0.8 m，表層土體孔壓從-49.04 kPa增大到-40 kPa，體積含水率增大到23.52%；隨著降雨時長增加，雨水繼續(xù)向下入滲，12 h后雨水入滲到地表以下2.8 m處，表層土體孔壓增大到-28.25 kPa，體積含水率增大到25.19%，相比初始體積含水率增大了約11.00%；連續(xù)降雨24 h結束時，雨水入滲到地表以下4.0 m處，該深度以下土體不受降雨影響，表層土體孔壓增大到-26.20 kPa，體積含水率增大到25.73%，相比初始體積含水率增大了13.4%。

圖8 采用1.0 m黃土水力學參數模擬結果

整體3.0 m模型計算結果如圖9所示。降雨1 h 后，雨水入滲到地表以下0.8 m，表層土體孔壓增大到-33.27 kPa，體積含水率增大到22.35%；降雨12 h后，雨水入滲到地表以下1.6 m處，比整體1.0 m模型的雨水入滲更慢一些，此時表層土體孔壓增大更快(-22.31 kPa)；降雨24 h結束時，雨水入滲到地表以下2.4 m處，表層土體孔壓增大到-20.73 kPa，體積含水率增大到26.34%，相比初始體積含水率增大了27.10%。

整體5.0 m模型計算結果如圖10所示。首先其初始孔壓和含水率都與整體1.0 m模型非常接近。降雨1.0 h后，雨水入滲到地表以下0.8 m，表層土體孔壓增大到-12.54 kPa；降雨12 h后，雨水僅入滲到地表以下1.2 m處，而表層孔壓已增大到-5.15 kPa，體積含水率增大到30.71%；降雨24 h結束時，地表下1.2 m以內土體孔壓和含水率進一步增大，而雨水入滲深度并未增加。

分層模型計算結果如圖11所示。降雨1 h后，雨水入滲到地表以下0.8 m，和整體1.0 m模型的變化結果相同；降雨12 h后，雨水入滲到地表以下2.8 m處，此時表層土體孔壓增大到-28.23 kPa，體

圖9 采用3.0 m黃土水力學參數模擬結果

圖10 采用5.0 m黃土水力學參數的模擬結果

積含水率增大到24.96%；連續(xù)降雨24 h結束時，雨水入滲到地表以下4.4 m處，4.4 m以下土體不受降雨影響，表層土體孔壓增大到-26.12 kPa，體積含水率增大到25.75%，與整體1.0 m模型降雨24 h時表層孔壓及體積含水率基本相等。

圖11 采用分層黃土水力學參數的模擬結果

綜上，降雨1 h后，整體1.0 m、3.0 m、5.0 m模型和分層模型中雨水都入滲到地表以下0.8 m，其中整體5.0 m模型的表層土體孔壓和含水率增大最多，整體1.0 m模型和分層模型的表層土體孔壓和含水率變化相對最小。降雨24 h結束時，整體1.0 m、整體3.0 m、整體5.0 m、分層模型的雨水入滲深度分別為4.0 m、2.4 m、1.2 m和4.4 m，相比初始狀態(tài)表層體積含水率分別增加了13.4%、27.1%、39.1% 和13.5%。與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比，該黃土高填方工程雨水入滲影響深度在3.0 m-5.0 m之間(見圖2結果)，因此，采用整體1.0 m和分層模型計算的入滲深度與現(xiàn)場監(jiān)測結果最為接近。由上述結果可知，黃土高填方工程由于工后不同深度回填壓實黃土所經歷干濕循環(huán)歷史不同，造成其持水特性差異顯著。在進行黃土高填方工程雨水入滲分析時，需考慮不同深度回填壓實黃土持水特征曲線差異對雨水入滲深度計算的影響。

5 結 論

本文研究了黃土填方場地不同深度回填壓實黃土持水特性差異及其對雨水入滲計算的影響，主要得出以下結論：

(1) 1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的進氣值分別為5.7 kPa、9.6 kPa和6.5 kPa，即3.0 m黃土的進氣值比1.0 m和5.0 m黃土的進氣值分別高出41%和32%。這是由于3.0 m黃土的大孔隙直徑(5.8 μm)比1.0 m和5.0 m黃土的大孔隙直徑(7.2 μm)小24%。

(2) 1.0 m、3.0 m和5.0 m回填壓實黃土的粒徑分布、礦物組成和孔隙分布都較相似，但5.0 m黃土的平均滯回度(0.23)比1.0 m和3.0 m黃土(0.04和0.05)分別大475%和360%。體積含水率的現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，1.0 m和3.0 m黃土受氣候條件影響含水率變化顯著，而在整個監(jiān)測期間，5.0 m黃土的體積含水率基本保持不變。因此，1.0 m和3.0 m回填壓實黃土較小的滯回效應可能是由于在現(xiàn)場經歷多次干濕循環(huán)引起時效作用。

(3) 數值分析結果表明，降雨24 h結束時，整體1.0 m、整體3.0 m、整體5.0 m和分層模型的雨水入滲深度分別為4.0 m、2.4 m、1.2 m和4.4 m，相比初始狀態(tài)表層體積含水率分別增加了13.40%、27.10%、39.10%和13.50%?，F(xiàn)場監(jiān)測結果可知該黃土高填方工程雨水入滲影響深度在3.0 m～5.0 m之間。因此，采用整體1.0 m和分層模型計算的入滲深度與現(xiàn)場監(jiān)測結果最為接近，建議在進行黃土高填方工程雨水入滲分析時，應考慮不同深度回填壓實黃土水力特性差異的影響。