黏土含水率空間分布規(guī)律的模型試驗(yàn)研究*

劉子振，蘇洪健，劉嬌，陳文龍

（臺(tái)州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江臺(tái)州318000）

黏土含水率空間分布規(guī)律的模型試驗(yàn)研究*

劉子振，蘇洪健，劉嬌，陳文龍

（臺(tái)州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江臺(tái)州318000）

黏土含水率對(duì)土體粘聚力影響較大，且會(huì)影響雨水入滲邊坡過(guò)程，進(jìn)而影響到邊坡的穩(wěn)定性。本文通過(guò)模型試驗(yàn)，獲得了黏土含水率隨深度的空間變化關(guān)系，并擬合了含水率的深度函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明：表面水平且無(wú)地下水位時(shí)，黏土含水率隨深度變化較小，可近似按直線擬合；表面水平且有地下水位時(shí)，深度超過(guò)10cm后，含水率變化較明顯，含水率隨深度可按二項(xiàng)式擬合；無(wú)地下水位時(shí)坡面下深20cm以內(nèi)含水率變化較大，含水率不穩(wěn)定，若含水率隨深度按線性擬合，坡腳處變化較小，而坡頂和坡中處變化較大。

黏土含水率；模型試驗(yàn)；深度；黏土邊坡；擬合式

土體物理力學(xué)參數(shù)是基坑穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，而土體的含水率對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)又有較大的影響。通常，在邊坡穩(wěn)定性研究中只考慮土中含水率是均一的。然而，根據(jù)土壤和水的特性，不同深度處的含水率是不一樣。如果天然條件下土中含水率看成均一的，對(duì)土體參數(shù)的選取不利，必將影響到基坑穩(wěn)定或邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致原本不穩(wěn)定邊坡的計(jì)算結(jié)果卻是穩(wěn)定的。因此，需要結(jié)合試驗(yàn)，測(cè)得土體含水率隨深度的空間變化關(guān)系，為工程所需參數(shù)提供參考。

Green等［1］研究了空氣和水通過(guò)土體的過(guò)程和作用機(jī)理，并建立了三者的相互影響關(guān)系，體現(xiàn)了水在土體中作用結(jié)果。謝志清等［2］對(duì)比分析了不同下墊面條件下的土壤含水率時(shí)空變化特征，并進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明，夏季土壤水分在濕潤(rùn)區(qū)呈單峰偏態(tài)分布，在非均勻地表?xiàng)l件下，土壤表層水分分布的空間變化率相當(dāng)大。趙景波等［3］研究了青海湖某鎮(zhèn)的土壤水與土壤水庫(kù)，發(fā)現(xiàn)土壤含水率隨著深度的增加而減少，在0.6m深度以下土壤含水率嚴(yán)重不足。陳洪松等［4］研究了土壤初始含水率對(duì)坡面雨水入滲的影響，揭示了濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和水分再分布規(guī)律。他們認(rèn)為初始含水率均勻分布條件下，雨水入滲與再分布過(guò)程中濕潤(rùn)鋒面平行坡面垂直向下整體運(yùn)移，可以簡(jiǎn)化為一維分析；如果初始含水率非均勻分布，初始含水率越高，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率也越大。降雨入滲邊坡時(shí)，土體的濕潤(rùn)程度和范圍對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率有一定的影響，坡面雨水對(duì)入滲有一定的促進(jìn)作用。陳赟等［5］設(shè)計(jì)和應(yīng)用TDR聯(lián)合監(jiān)測(cè)土體含水率的傳感器，能在現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定土體含水率以及在土體不同深度的變化情況，且測(cè)試結(jié)果可靠。毛麗麗等［6］采用水平土柱和修正的Green-Ampt模型分析土壤入滲性，認(rèn)為土壤入滲能力與地下水有密切關(guān)系，提出的修正模型能很好地描述水分在土壤中的分布。方文松等［7］認(rèn)為土壤的初始濕度對(duì)雨水入滲深度影響最大，并建立了降雨量與雨水入滲度的線性關(guān)系。陳偉等［8］分析了非飽和土邊坡降雨入滲過(guò)程，并研究相應(yīng)的最大入滲深度，獲得了降雨入滲非飽和土邊坡的最大入滲深度公式，認(rèn)為坡面土最大含水率要略小于飽和含水率。

綜上所述，土體內(nèi)的含水率是變化的，對(duì)雨水入滲有一定的影響。然而針對(duì)邊坡黏土含水率變化在邊坡穩(wěn)定性的影響研究中仍較少，本文通過(guò)黏土含水率空間測(cè)試分析，為黏土邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1　試驗(yàn)方案

將某山坡處取回的黏土，分成三組，分別裝入兩個(gè)圓桶和邊坡模型中，其中一個(gè)圓桶設(shè)置有地下水位。黏土樣按要求進(jìn)行分層壓實(shí)，然后，將桶口用塑料膜包裹，邊坡自由面放置少量雜草，邊坡模型做好后用防雨布遮蓋。將黏土樣模型自然放置約75天（4月23日到7月6日），如圖1所示。為了防止水分蒸發(fā)和流失，要求及時(shí)取樣并測(cè)定黏土含水率。

圖1　黏土樣試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2　測(cè)試結(jié)果與分析

2.1水平面下黏土含水率分布

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得初始的黏土樣相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1　初始黏土樣相關(guān)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)方案，裝土圓桶內(nèi)深75cm，桶口直徑115cm，在桶底面鋪設(shè)15cm厚的碎石。其中一個(gè)桶中央垂直插入一根直管，用來(lái)補(bǔ)充地下水位，沿桶四周布設(shè)32個(gè)出水孔，保證桶中水位深恒定在15cm。圓桶作好深度標(biāo)尺，通過(guò)取土器標(biāo)定取土深度。水位設(shè)置和深度標(biāo)尺如圖2所示。各孔按垂直深度每隔5cm取一次土，并及時(shí)進(jìn)行取樣、稱重、烘干。

圖2　水位控制和深度標(biāo)尺（單位：cm）

土樣靜置一段時(shí)間后，同時(shí)對(duì)兩圓桶表層黏土進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得黏土的相關(guān)參數(shù)如表2所示。然后，按垂直深度進(jìn)行取樣，進(jìn)行含水率測(cè)試，每桶鉆三個(gè)孔取樣，孔口按正三角分布，如圖3所示。無(wú)地下水位的黏土含水率測(cè)試結(jié)果如圖4所示，有地下水位的黏土含水率測(cè)試結(jié)果如圖5所示，將不同孔號(hào)在相同深度處含水率進(jìn)行比較，如圖6所示。

表2　圓桶內(nèi)黏土相關(guān)參數(shù)

圖3　取土孔分布與成孔情況

由圖4可知，無(wú)地下水位時(shí)，總的平均含水率為27.3%。1#孔含水率最小值為24.8%、最大值為27.7%，平均含水率為26.6%；2#孔含水率最小值為26.0%、最大值為28.7%，平均含水率為27.6%；3#孔含水率最小值為26.9%、最大值為28.4%，平均含水率為27.6%?？椎暮孰S深度有變化，變化率分別為

5.4%、9.8%、10.9%，最大含水率為28.7%。擬合線型可按直線式，因此，根據(jù)實(shí)際可采用平均含水率。

圖4　無(wú)地下水位時(shí)黏土含水率隨深度變化

由圖5可知，有地下水位時(shí)，總的平均含水率為29.1%。4#孔含水率最小值為25.3%、最大值為35.8%，平均含水率為27.7%；5#孔含水率最小值為26.5%、最大值為34.7%，平均含水率為29.3%；6#孔含水率最小值為26.6%、最大值為41.2%，平均含水率為30.2%。黏土含水率隨深度有很大的變化，變化率分別為37.9%、28.0%、48.3%，最大含水率41.2%比孔表層土含水率26.6%多14.6%、比無(wú)地下水位表層含水率26.9%多14.3%。擬合線型，按二項(xiàng)式擬合比線性和指數(shù)式更合理，因此，不可采用均一的平均含水率。

由圖6可知，無(wú)地下水位時(shí)，在同一深度處各孔的含水率變化較??；有地下水位時(shí)，表層10cm深度內(nèi)，在同一深度處各孔的含水率變化較小，超過(guò)10cm深度后，同一深度處各孔的含水率變化較明顯，且隨深度增加更加明顯。

圖5　有地下水位時(shí)黏土含水率隨深度變化

2.2邊坡黏土含水率分布

黏土坡體尺寸：坡高60cm、坡角39.1°、橫向?qū)?0cm。模型底部鋪6cm厚的碎石砂土，且底模沒(méi)有出水孔，間距15cm。邊坡模型及深度標(biāo)尺如圖7所示。測(cè)試時(shí)按一定深度，分別在坡頂、坡中和坡腳三個(gè)部位采用取土器取土，并及時(shí)進(jìn)行取樣、稱重、烘干。通過(guò)試驗(yàn)獲得黏土相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，邊坡不同深度黏土的含水率如圖8所示，將含水率隨深度進(jìn)行擬合，如圖9所示。

表3　模型邊坡黏土相關(guān)參數(shù)

圖6　不同孔號(hào)同深度下含水率

圖7　邊坡模型及深度標(biāo)尺（單位：cm）

由圖8可知，黏土總的平均含水率：坡頂7#為24.4%、坡中8#為24.3%、坡腳9#為25.1%；坡頂7#孔含水率最小值為23.1%、最大值為26.6%，平均含水率為24.4%；坡中8#孔含水率最小值為23.2%、最大值為25.8%，平均含水率為24.3%；坡腳9#孔含水率最小值為23.9%、最大值為26.7%，平均含水率為25.1%。各孔的含水率隨深度的變化范圍接近，含水率隨深度有變化，變化率分別為14.4%、10.7%、11.2%，含水率變化率比平面分布情況要大。最大含水率26.7%比孔表層土含水率23.1%多3.6%，如果有地下水位時(shí)可能會(huì)更大。黏土表面深20cm以內(nèi)含水率變化較大，表面含水率不穩(wěn)定，深大于20cm處的含水率隨深度變化幅度較小。

圖8　邊坡不同深度處黏土的含水率

圖9　邊坡黏土含水率擬合情況

由圖9可知，只有坡腳處含水率隨深度變化較小，而坡頂和坡中處變化較大。因此，邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)盡可能考慮黏土含水率變化，從而可以采用更合理的黏土物理力學(xué)參數(shù)。

3　結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)獲得黏土體含水率隨深度的空間變化關(guān)系，并擬合了含水率的深度函數(shù)關(guān)系。

（2）表面水平且無(wú)地下水位時(shí)，黏土含水率隨深度變化較小，可按直線擬合，在同一深度處各孔黏土的含水率變化較??；表面水平且有地下水位時(shí)，表層深度10cm內(nèi)，在同一深度處各孔的含水率變化較小，深度超過(guò)10cm后，含水率變化較明顯，最大變化量為15.9%，含水率隨深度可按二項(xiàng)式擬合。

（3）坡面下深20cm以內(nèi)含水率變化較大，表層含水率不穩(wěn)定，深大于20cm處的含水率隨深度變化幅度較小。若含水率隨深度按線性擬合，坡腳處含水率隨深度變化較小，而坡頂和坡中處變化較大。

［1］Green WH，Ampt CA.Studies on soil physics:The flow of air and water through soils［J］.J Agric.Sci.，1911，（4）:1-24.

［2］謝志清，丁裕國(guó)，劉晶淼.不同下墊面條件下土壤含水量時(shí)空變化特征的對(duì)比分析［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，25（5）:625-632.

［3］趙景波，馬淑苗，馬延?xùn)|，等.青海湖北沙柳河鎮(zhèn)土壤水與土壤水庫(kù)研究［J］.資源科學(xué)，2012，34（6）:1095-1100.

［4］陳洪松，邵明安，王克林.土壤初始含水率對(duì)坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（1）:44-47.

［5］陳赟，陳偉，陳仁朋，等.TDR聯(lián)合監(jiān)測(cè)土體含水率和干密度的傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（2）: 418-426.

［6］毛麗麗，雷廷武，劉汗，等.用水平土柱和修正的Green-Ampt模型確定土壤的入滲性能［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）:35-38.

［7］方文松，劉榮花，朱自璽，等.農(nóng)田降水滲透深度的影響因素［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（4）:185-189.

［8］陳偉，莫海鴻，陳樂(lè)求.非飽和土邊坡降雨入滲過(guò)程及最大入滲深度研究［J］.礦冶工程，2009，29（6）:13-17.

（責(zé)任編輯：耿繼祥）

An Experimental Study of Clay Model for Spatial Distribution Rule of Moisture Content

LIU Zizhen，SU Hongjian，LIU Jiao，CHEN Wenlong
（School of Civil Engineering and Architecture，Taizhou University，Taizhou 318000，China）

The cohesive of clay is influenced greatly by the moisture content.And the moisture content could affect the process of rainfall infiltration into side slope，which affects the stability of the slope.

In this paper，through model test，the relationship and fitted function of the clay moisture content to the depth could be obtained.The results show that the change of clay moisture content with depth is small under the surface level and without underground water.And the relationship of moisture content to the depth could be fitted linear.Under the surface level and underground water，the change of moisture content is more obvious after more than 10 cm depth.And the moisture content with depth could be fitted according to the binomial function.The moisture content is unstable within 20 cm depth with underground water level of clay slope.The change of moisture content is smaller at the foot of slope，bigger at the top and middle of slope surface if the relationship of moisture content to the depth could be fitted linear.

moisture content of clay；model test；depth；clay slope；fitting formula

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2015.06.008

2015-10-12

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LY13E080008）；浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目（No.2013R428026）。

劉子振（1979-），男，江西永豐人，副教授，博士，主要從事巖土工程等方面的研究與教學(xué)工作。