黄土填方场地工后持水特性及雨水入渗研究

李晓敏,穆青翼,丁心安,朱文秀,刘奉银

(1.西安思源学院，陕西 西安 710038；2.西安交通大学，陕西 西安 710049; 3.西安理工大学, 陕西 西安 710048)

近年来，黄土地区城镇建设面临较多黄土高填方工程问题，研究黄土高填方场地的持水特性及雨水入渗，是解决回填压实黄土不均匀沉降和失稳的关键[1]。当黄土高填方工程完成后，处于不同深度的回填压实黄土应力状态和所经历的干湿循环历史不相同，这将导致不同深度的回填压实黄土虽具有相同的压实状态，但其持水特性并不相同。另一方面，在进行黄土高填方雨水入渗分析时，往往多采用某一确定深度测得的持水特征曲线，影响分析的准确性。

针对黄土持水特性，国内外学者做了广泛深入的研究。结果表明，影响持水特征曲线的因素主要包括含水率、干密度、温度、干湿循环、应力状态等[2-6]。赵天宇等[2]研究结果表明干湿循环作用会降低压实黄土持水能力。王娟娟等[3]研究表明相同试验含水率下黄土的基质吸力随制样含水率增加而增大。穆青翼等[4]研究表明原状、压实和重塑黄土即使具有相同的初始干密度，经历两次干湿循环的持水特性和滞回度变化规律差异显著。陈存礼等[5]研究表明当竖向应力低于400 kPa，应力变化对黄土持水特征曲线影响较小，可用零应力状态持水特性曲线代替；而当竖向应力高于400 kPa，必须考虑应力状态对黄土持水特征曲线影响。Hou等[6]将非饱和区的孔隙水压力分布分为表面活跃区、稳定区域和湿润锋区三部分，认为减少黄土高填方滑坡发生概率的最可行方法是控制或降低灌溉量。魏宁等[7]数值模拟结果表明，在同一降雨量下，与雨强大而持时短的暴雨相比较，雨强小而持时长的降雨对边坡土体稳定更加不利。朱才辉等[8]土柱模型试验结果表明，降雨强度不仅影响压实黄土的雨水入渗深度和入渗速率，还会影响土体入渗锋面的形态特征。以上文献综述进一步表明目前在进行降雨入渗计算时，大多采用唯一的持水特征曲线进行分析，尚无考虑不同深度黄土由于经历干湿循环历史不同导致持水特性差异对雨水入渗计算的影响。

本研究针对某黄土高填方场地取回的不同深度回填压实黄土，黄土填方场地工后持水特性及雨水入渗研究开展压力板仪持水特征曲线测试，结合X射线衍射试验、压汞试验和含水率变化的现场监测结果，揭示其持水特性规律。此外，将实测不同深度回填压实黄土持水特征曲线和饱和渗透系数作为输入参数，模拟降雨，研究不同深度回填压实黄土水力学参数变化对雨水入渗计算的影响。

1 试验概况

本研究所用回填压实黄土取自某高填方场地，取土深度为1.0 m～9.0 m，取土和运输过程中最大限度减少土体扰动。依据《土工试验规程》[9](SL 237—1999)，测得黄土饱和度和干密度随深度变化情况，结果如图1所示。地表以下1.0 m～6.0 m饱和度逐渐增加，这是由于随深度增加水分蒸发量逐渐减少；在6.0 m～9.0 m范围内，饱和度基本保持在75%左右。另一方面，1.0 m、3.0 m和5.0 m深度处黄土的干密度非常接近，分别为1.51 g/cm3、1.57 g/cm3和1.52 g/cm3(差距小于4%)；而随深度继续增加，黄土密实度迅速增大，这是由于7.0 m以下存在较为密实的古土壤。因此，为保持研究的一致性，选择5.0 m以上的回填压实黄土作为持水特性的研究对象。

图2显示了从2018年4月1日至12月1日期间深度1.0 m、3.0 m和5.0 m处黄土体积含水率变化的现场监测结果。对于1.0 m黄土，从2018年4月1日至6月26日期间，体积含水率有波动但总体变化并不明显，这可能是因为水分的日蒸发量和入渗量在春天基本达到平衡。6月26日至8月6日期间，由于降雨黄土的体积含水率出现两次快速增长，随后体积含水率逐渐降低，这是由于夏季高温水分蒸发量增多的缘故。显然1.0 m黄土在监测期间经历了两次明显的干湿循环。对于3.0 m黄土，其体积含水率变化和1.0 m黄土非常类似，只是3.0 m黄土体积含水率快速增长发生在7月3日，并从7月13日开始逐渐降低，3.0 m黄土体积含水率快速增长和降低的发生时间均比1.0 m黄土延后一周左右。值得注意的是，在整个监测期间，5.0 m黄土的体积含水率基本保持不变，这表明气候变化对于5.0 m以下黄土的含水率影响可忽略。

图1 回填压实黄土饱和度和干密度随深度分布

图2 不同深度黄土体积含水率变化的现场监测结果

表1为所测试黄土的基本物理性质指标。1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的液限分别为30.3%、30.7%和31.5%，塑限分别为12.5%、12.1%和12.9%，由此可见，取样深度对塑限和液限影响也可忽略。依据《土的工程分类标准》[10](GB/T 50145—2007)，所取黄土属于低液限黏土(CL)。

表1 黄土的物理性质指标

采用密度计法测定1.0 m、3.0 m和5.0 m黄土粒径分布曲线如图3所示。结果显示:1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的粒径分布非常接近，黏粒(≤0.005 mm)含量在14.0%～17.6%之间，粉粒(0.005 mm～0.075 mm)含量在77.9%～82.0%之间。因此，取样深度对回填压实黄土粒径分布影响很小。

图3 不同深度黄土粒径分布曲线

2 试验设备及方案

本研究中持水特性试验采用1500F1型压力板仪。该试验仪器由压力室、加压设备(空压机、过滤器和压力表)和排水系统组成，其中压力板仪的工作原理是轴平移技术[11]。试验时将土样放在压力室中饱和陶土板上，陶土板下水槽通过细软管与外界大气连通。如以水槽为基准面可认为试样中孔隙水压uw等于零，通过改变压力室内的气压ua对试样施加不同的吸力(ua-uw)。

待脱湿或吸湿稳定后，将试样从压力室内取出并称重，计算各级吸力下试样的含水率，稳定标准为24小时内含水率变化小于0.04%，通常每级气压下需要6至15天达到稳定，脱水需要的稳定时间比吸水更久一些。本文持水特征曲线的测定涉及到施加0.1 kPa小吸力，由于仪表盘精度有限，无法利用直接增大压力室气压的方法来实现，因此通过调节排水口至试样以下0.01 m(此时试样中的孔压为-0.1 kPa)施加该小吸力值[4]。

压汞试验采用AutoPore IV 9500型压汞仪。首先将土体切削成尺寸约为5 mm×5 mm×5 mm的立方体，然后采用液氮冷冻法进行脱湿[11]。将制备好的土样依次放入压汞仪的低压和高压仓中进行测试，获得孔径分布。

3 试验结果及分析

3.1 压汞试验结果及分析

压汞试验测得的1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的孔径分布如图4所示，从图中可以看出：对于1.0 m黄土，孔径分布曲线呈现三个峰值，其主要大孔隙、中孔隙和小孔隙直径分别为7.20 μm, 1.30 μm和0.04 μm。依据文献可知，单峰[12]、双峰[13]和三峰[11]孔径分布曲线对于黄土均可能出现，不同的孔径分布模式可能与黄土不同的沉积或压实过程有关。对于3.0 m黄土，其孔径分布与 1.0 m黄土相似，只不过3.0 m黄土的大孔隙相对更小一些(5.8 μm)；对5.0 m黄土而言，其孔径分布几乎和1.0 m黄土一致。3.0 m黄土的大孔隙相比于1.0 m和5.0 m黄土更小一些，这可能是由于3.0 m黄土的孔隙比(0.71)比1.0 m和5.0 m黄土的孔隙比(0.78和0.77)分别小9.9%和8.5%的缘故。

图4 不同深度黄土孔径分布

3.2 持水特性试验结果及分析

1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土吸湿-脱湿-再吸湿持水特征曲线如图5所示。其中，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土初始状态吸力分别为87.5 kPa、33.7 kPa和31.5 kPa。从初始状态开始吸力逐渐减小，土样吸水，含水率逐渐增大，0.1 kPa时三个土样各自达到饱和体积含水率(接近100%)，接着经历脱湿路径吸力增大至400 kPa，含水率逐渐减小，之后再次吸湿至初始状态吸力值。

图5 不同深度黄土持水特征曲线

不同取样深度的回填压实黄土持水特征曲线明显不同。由脱湿曲线确定的1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的进气值分别为5.7 kPa、9.6 kPa和6.5 kPa，即3.0 m回填压实黄土的进气值比1.0 m和5.0 m黄土的进气值分别高出41%和32%。从压汞仪的试验结果可以看出，3.0 m黄土的大孔隙直径(5.8 μm)比1.0 m和5.0 m黄土的大孔隙直径(7.2 μm)小24%。进气值是指空气侵入饱和土孔隙使孔隙水开始排出时所对应的吸力值，土中大孔隙越小，使空气侵入饱和土孔隙中所需要的吸力值越大，因此，3.0 m黄土的进气值相对最高。此外，从图中还可明显看出，随着取样深度增大，干湿循环路径得到的持水特征曲线滞回圈逐渐增大。

根据Lu等[14]的滞回度定义，即某一吸力下土样在脱湿-吸湿路径下含水率的差值与含水率平均值的比值，本文计算了不同深度黄土持水特征曲线在不同吸力水平下的滞回度，结果如图6所示。从图中可看出，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的滞回度先随吸力的增大而增大，滞回度在20 kPa吸力时达到峰值，之后随吸力增大滞回度逐渐减小。5.0 m回填压实黄土的平均滞回度为0.23，比1.0 m和3.0 m回填压实黄土的平均滞回度(0.04和0.05)分别大475%和360%。值得注意的是，5.0 m黄土的孔隙比(0.77)和1.0 m黄土的孔隙比(0.78)非常接近，而5.0 m黄土的孔隙比仅比3.0 m黄土的孔隙比(0.71)大7.8%。

图6 不同深度黄土持水特征曲线滞回度

持水特征曲线产生滞回效应的原因有：①孔隙通道不均匀截面直径造成的“瓶颈效应”；②脱吸湿过程中接触角差异的影响；③脱吸湿过程中封闭气泡的存在；④干湿循环历史引起的时效作用。从1.0 m、3.0 m、5.0 m回填压实黄土的微结构分析(颗分、X射线衍射试验和压汞试验)，它们的粒径分布、矿物组成和孔隙分布模式都较相似。根据现场含水量监测结果，回填压实黄土表层3.0 m以内受外界降雨和蒸发影响较为剧烈，5.0 m以下回填压实黄土含水量基本未受外界环境影响。因此1.0 m和3.0 m黄土持水特征曲线较小滞回度可归结于现场多次干湿循环引起的时效作用。

4 雨水入渗数值模拟

从持水特性试验结果可以看出，尽管1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的干密度非常接近(差距小于4%)，它们的持水特征曲线明显不同。因此，采用有限元软件GeoStudio中的SEEP/W模块，分析土柱在降雨条件下，由于不同深度回填压实黄土工后经历干湿循环历史不同所造成的水力学参数(持水特征曲线和饱和渗透系数)差异对雨水入渗计算的影响。

4.1 水力学参数选取

计算非饱和土中渗流，需求解非饱和土达西定律，该方程包含持水特征曲线和非饱和渗透系数曲线两个参数。本文采用Fredlund & Xing[15]模型对试验测得不同深度回填压实黄土吸湿持水特征曲线进行拟合：

(1)

其中:θw为体积含水率;θs为饱和体积含水率;s为基质吸力;a、n和m为拟合参数。模型中拟合参数a、m、n的数值列于表2中，此外，拟合曲线的R2值均在0.95以上。

表2 Fredlund & Xing模型持水特征曲线拟合参数

利用TST-55型渗透仪在变水头下测定不同深度回填压实黄土试样的饱和渗透系数，1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的饱和渗透系数分别为9.08×10-5m/s、2.34×10-5m/s和8.76×10-5m/s。将拟合持水特征曲线和饱和渗透系数作为参数输入，根据GeoStudio软件中自带算法，可计算1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土非饱和渗透系数曲线。

4.2 土柱模型的建立

本文建立的土柱模型如图7所示，深度为6.0 m，宽度为2.0 m。坐标系零点位于地表处，有限元网格单元尺寸按照0.05 m进行划分，共4 961个节点、4 800个单元。模型底部为不透水边界，两侧为零流量边界，顶部为降雨入渗面，本文选取暴雨(24 h降雨量50 mm)情况，降雨强度2.08 mm/h，降雨历时24 h。

首先，分别将1.0 m、3.0 m、5.0 m回填压实黄土的持水特征曲线和饱和渗透系数输入到整个土柱模型中进行计算，简称为：整体1.0 m模型、整体3.0 m模型、整体5.0 m模型。其次，按照实际情况对土柱进行分层，土柱顶部以下0.0 m～2.0 m范围内输入1.0 m黄土的水力学参数，土柱顶部以下2.0 m～4.0 m范围内输入3.0 m黄土的水力学参数，土柱顶部以下4.0 m～6.0 m范围内输入5.0 m黄土的水力学参数，简称为：分层模型。通过比较各模型中孔隙水压力和体积含水率变化规律，研究不同深度黄土由于经历干湿循环历史不同所导致持水特性差异对雨水入渗计算的影响。

图7 有限元土柱模型

4.3 模拟结果分析

压力板仪试验已测得1.0 m、3.0 m和5.0 m黄土的初始孔隙水压力分别为-87.5 kPa、-33.7 kPa和-31.5 kPa。为便于比较不同深度黄土持水特性对土柱雨水入渗的影响，统一取-50 kPa的平均初始孔压输入到上述四种模型中，通过稳态分析为上述四种土柱模型赋予相应的初始孔压分布。稳态分析后土柱内初始孔压保持在-49.04 kPa，对应的整体1.0 m、3.0 m、5.0 m模型的初始体积含水率分别为22.69%(见图8)、20.73%(见图9)和22.53%(见图10)。而图11中，由于分层模型中不同深度采用不同的持水特征曲线，即使在施加相同的孔压边界时，各土层的初始体积含水率并不相同，稳态分析后地表以下1.0 m～2.0 m和5.0 m～6.0 m的初始孔压保持在-49.04 kPa(分别对应22.69%和22.53%的初始体积含水率)，地表以下3.0 m附近土体初始孔压保持在-47.5 kPa(对应20.88%的初始体积含水率)。

整体1.0 m模型计算结果如图8所示。降雨1 h后雨水入渗到地表以下0.8 m，表层土体孔压从-49.04 kPa增大到-40 kPa，体积含水率增大到23.52%；随着降雨时长增加，雨水继续向下入渗，12 h后雨水入渗到地表以下2.8 m处，表层土体孔压增大到-28.25 kPa，体积含水率增大到25.19%，相比初始体积含水率增大了约11.00%；连续降雨24 h结束时，雨水入渗到地表以下4.0 m处，该深度以下土体不受降雨影响，表层土体孔压增大到-26.20 kPa，体积含水率增大到25.73%，相比初始体积含水率增大了13.4%。

图8 采用1.0 m黄土水力学参数模拟结果

整体3.0 m模型计算结果如图9所示。降雨1 h 后，雨水入渗到地表以下0.8 m，表层土体孔压增大到-33.27 kPa，体积含水率增大到22.35%；降雨12 h后，雨水入渗到地表以下1.6 m处，比整体1.0 m模型的雨水入渗更慢一些，此时表层土体孔压增大更快(-22.31 kPa)；降雨24 h结束时，雨水入渗到地表以下2.4 m处，表层土体孔压增大到-20.73 kPa，体积含水率增大到26.34%，相比初始体积含水率增大了27.10%。

整体5.0 m模型计算结果如图10所示。首先其初始孔压和含水率都与整体1.0 m模型非常接近。降雨1.0 h后，雨水入渗到地表以下0.8 m，表层土体孔压增大到-12.54 kPa；降雨12 h后，雨水仅入渗到地表以下1.2 m处，而表层孔压已增大到-5.15 kPa，体积含水率增大到30.71%；降雨24 h结束时，地表下1.2 m以内土体孔压和含水率进一步增大，而雨水入渗深度并未增加。

分层模型计算结果如图11所示。降雨1 h后，雨水入渗到地表以下0.8 m，和整体1.0 m模型的变化结果相同；降雨12 h后，雨水入渗到地表以下2.8 m处，此时表层土体孔压增大到-28.23 kPa，体

图9 采用3.0 m黄土水力学参数模拟结果

图10 采用5.0 m黄土水力学参数的模拟结果

积含水率增大到24.96%；连续降雨24 h结束时，雨水入渗到地表以下4.4 m处，4.4 m以下土体不受降雨影响，表层土体孔压增大到-26.12 kPa，体积含水率增大到25.75%，与整体1.0 m模型降雨24 h时表层孔压及体积含水率基本相等。

图11 采用分层黄土水力学参数的模拟结果

综上，降雨1 h后，整体1.0 m、3.0 m、5.0 m模型和分层模型中雨水都入渗到地表以下0.8 m，其中整体5.0 m模型的表层土体孔压和含水率增大最多，整体1.0 m模型和分层模型的表层土体孔压和含水率变化相对最小。降雨24 h结束时，整体1.0 m、整体3.0 m、整体5.0 m、分层模型的雨水入渗深度分别为4.0 m、2.4 m、1.2 m和4.4 m，相比初始状态表层体积含水率分别增加了13.4%、27.1%、39.1% 和13.5%。与现场监测结果对比，该黄土高填方工程雨水入渗影响深度在3.0 m-5.0 m之间(见图2结果)，因此，采用整体1.0 m和分层模型计算的入渗深度与现场监测结果最为接近。由上述结果可知，黄土高填方工程由于工后不同深度回填压实黄土所经历干湿循环历史不同，造成其持水特性差异显著。在进行黄土高填方工程雨水入渗分析时，需考虑不同深度回填压实黄土持水特征曲线差异对雨水入渗深度计算的影响。

5 结 论

本文研究了黄土填方场地不同深度回填压实黄土持水特性差异及其对雨水入渗计算的影响，主要得出以下结论：

(1) 1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的进气值分别为5.7 kPa、9.6 kPa和6.5 kPa，即3.0 m黄土的进气值比1.0 m和5.0 m黄土的进气值分别高出41%和32%。这是由于3.0 m黄土的大孔隙直径(5.8 μm)比1.0 m和5.0 m黄土的大孔隙直径(7.2 μm)小24%。

(2) 1.0 m、3.0 m和5.0 m回填压实黄土的粒径分布、矿物组成和孔隙分布都较相似，但5.0 m黄土的平均滞回度(0.23)比1.0 m和3.0 m黄土(0.04和0.05)分别大475%和360%。体积含水率的现场监测结果表明，1.0 m和3.0 m黄土受气候条件影响含水率变化显著，而在整个监测期间，5.0 m黄土的体积含水率基本保持不变。因此，1.0 m和3.0 m回填压实黄土较小的滞回效应可能是由于在现场经历多次干湿循环引起时效作用。

(3) 数值分析结果表明，降雨24 h结束时，整体1.0 m、整体3.0 m、整体5.0 m和分层模型的雨水入渗深度分别为4.0 m、2.4 m、1.2 m和4.4 m，相比初始状态表层体积含水率分别增加了13.40%、27.10%、39.10%和13.50%。现场监测结果可知该黄土高填方工程雨水入渗影响深度在3.0 m～5.0 m之间。因此，采用整体1.0 m和分层模型计算的入渗深度与现场监测结果最为接近，建议在进行黄土高填方工程雨水入渗分析时，应考虑不同深度回填压实黄土水力特性差异的影响。