土壤膨胀性对土壤饱和水分运动参数的影响

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摘要：膨胀性土壤吸水后易膨胀变形，从而影响到土壤水分的运动参数。为了研究土壤膨胀性对土壤饱和水分运动参数的影响，采用室内土柱试验装置分析了不同土壤厚度（2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55 cm）对3种土壤（沙土、黄绵土、娄土）土壤容重、土壤饱和含水量、土壤饱和导水系数的影响，并分别用幂函数、指数函数和对数函数进行了拟合分析。结果表明：① 土壤饱和膨胀率、饱和比容积、饱和含水量和饱和导水系数均随土壤厚度增加而减小。② 通过3种函数拟合效果对比发现，幂函数具有最佳拟合效果。

关键词：土壤膨胀性; 土壤水分运动; 土壤容重; 土壤饱和含水量; 土壤饱和导水系数

中图法分类号：P642文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.037

土壤膨胀性是土壤重要的物理特性[1]。膨胀土广泛分布于我国的诸多地区，膨胀性土壤变形不仅影响着土壤的水文过程，它的浸水膨胀特性通常也会对建在其上的建筑物、构筑物造成很大的危害，如建筑物倾斜裂缝、边坡工程失稳等，给国民经济造成了很大的损失[2]。因此土壤膨胀性已成为工程地质学、水文学和土力学等学科关注的重点。

膨胀性土壤受自重应力影响，随着土壤深度的增加，土壤受力变形特征发生改变，进而引起土壤饱和含水量、饱和导水系数、饱和比容积等参数变化[3-5]。当自重应力较小时，土壤在膨胀力作用下，土壤体积增大，导致土壤孔隙度增大，土壤入渗能力增大;随着深度的增大，自重应力加深，导致土壤孔隙度减小[6]，土壤入渗能力减小[7]。土壤膨胀变形与初始含水量有关，膨胀力和膨胀变形随土壤增湿程度增加而增加[8]。在吸水膨胀过程中，土体单元的水平方向有相当大的土体（相对于地表的土体来说）作为限制条件，对水平方向的膨胀应变产生很大抗力，使膨胀变形不能向水平方向发展，土体单元3个方向的应变转化为一个方向的应变，因此沿最小抗力的方向（垂直向上）发展[9]。

国内外学者认为，土壤胀缩性与土中黏粒分散程度有关，随着黏粒分散程度的增高而增强。土壤胀缩性能关系到土壤结构的形成和发育、土壤的持水性和导水性以及土壤的抗蚀性等诸多方面[10-11] 。当膨胀性土壤遇水后，在自重和压力作用下极易发生湿陷现象，同时土壤中的大孔隙也是土体中水分及细粒物质移动的通道，使膨胀性土壤易发生侵蚀[12]。黄土具有膨胀性，黄土胀缩会对土壤结构、水分运动及土体稳定性产生明显的影响。王益[13]等在研究影响黄土膨胀的因素后认为，在自然环境条件下干湿交替作用频率和强度越大，土壤膨胀率越大，且首次干湿交替变化对土壤膨胀性影响最大。陈祯[14]等的试验证实土壤吸水膨胀，失水收缩的性质受土壤孔隙结构及土壤持水特性的影响。

基于此，本文开展室内试验研究了不同厚度条件下，土壤膨胀性对土壤容重、土壤饱和含水量、土壤饱和导水系数的影响。分析土壤膨胀性对水分运动规律影响，期望对提高流域水循环模拟精度提供理论和实践参考。

1试验材料与试验设计

1.1试验材料

本次试验土样取自河北易县崇岭流域典型山坡（中科院地理所野外实验站）沙土、黄绵土和娄土，土壤的基本物理性质见表1。黄绵土、娄土作为典型的黄土，其膨胀性不同。其中黄绵土的黏土矿物成分以伊利石和绿泥石为主，黏粒含量达17.69%，属粉质砂壤土;娄土的黏土矿物成分以伊利石和蛭石为主，黏粒比例达45.47%，属粉质黏壤土。因为娄土中的膨胀性蛭石矿物成分含量较高，吸水膨胀性较好，娄土的膨脹性高于黄绵土[15]。

试验时土样经碾压、过筛（2 mm）、烘干备用。在试验过程中，不同土壤深度下水分运动参数无法直接获取，故需设计一组由小到大的土壤厚度序列，通过测定每一土壤厚度序列下的饱和水分运动参数，来计算不同土壤深度处的饱和水分运动参数。其中，饱和含水量和饱和比容积采用质量守恒定理计算，饱和导水系数采用通量相等原理计算，即调和平均数计算[16]。

1.2试验装置与方法

不同土壤的水分运动采用如图1所示的试验装置进行试验。将经碾压、过筛、烘干后的土样按一定容重（1.4 g/cm 3）分层均匀装入直径为10 cm的土柱中，然后将土柱下口与带有出水口的PVC板焊接在仪器中，且保证焊接处不漏水。PVC底板由上、下底板构成，中间由直径10 cm的圆弧连接（壁厚为0.5cm），上底板布满约1 mm的圆孔，起到支撑土壤及导流的作用，下底板上表面下凹，下表面水平，中心连接有直径约1 cm左右的软管，以便收集出流。试验前，打开阀门，用马氏瓶从PVC底板出水口处向土柱供水（发泡点水头与土面齐平），待土柱达到饱和（表面水位超过土面，且出水口开始出水），且其膨胀量达到相应含水量最大膨胀量后，即土柱饱和后，连续测定土柱深度，平均2 d一次。当连续5次测定土柱深度不变时，认为土壤膨胀量达到了最大。

采用称重法测定饱和含水量，采用定水头法（厚度为2 cm的土柱水头为2 cm;4，6，8，10 cm厚的土柱积水深度为4 cm;15，20，25，30，35，40，45，50，55 cm的土柱水头为10 cm）测定饱和导水系数，采用游标卡尺通过量测土面变化量来测定土壤膨胀量。每种土壤设置14个厚度处理，分别为2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55 cm。设置3次重复试验。

图1土壤饱和导水率实验装置Fig.1Soil saturated hydraulic conductivity experimental device

为了便于分析饱和水分运动参数，采用比重瓶法测定土密度。土壤膨胀特征曲线采用游标卡尺法[15]测定，并用三直线模型[16]进行拟合（土层厚度1 cm），拟合结果见表2。

v=a+1U0

式中，v为比容积，是土壤容重的倒数，cm 3/g;U为质量含水量，g/g;1，2，3为土壤膨胀特征曲线斜率;UA，UB，US分别为拐点处质量含水量，g/g;a，b，c为参数。

实验过程中采用保持压力不变的方法测定土壤应力应变关系曲线（图2）。由于降雨影响土壤深度较小（小于1 m），自重应力不超过25 kPa，因此恒定压力取值范围为0～25 kPa，测试土层厚度为2 cm，并采用对数函数[17]进行拟合，拟合结果见表3。

式中，ρs为土壤容重，g/cm 3;p为应力，N/cm 2;γ为土壤湿比重，N/cm 3;Z为土壤深度;A和B为参数。

采用恒体积法（图3）测定容重-饱和导水系数关系曲线（容重分别为1.1，1.2，1.3，1.4，1.5 g/cm 3，土层厚度为2 cm），并采用Lambe模型[18]进行拟合，拟合结果见表4。

Kse=K010m′（e-e0）（3）

式中，Kse为孔隙度为e的土壤饱和导水系数，cm/min;e为孔隙度，cm 3/cm 3;K0为孔隙度为e0时土壤饱和导水系数，cm/min;m′为参数。

同时，为了便于对比分析膨胀与非膨胀条件下土壤孔隙度变化量，实验测定了厚度2 cm土柱在非膨脹条件下孔隙度（将土柱采用食用油饱和）和膨胀条件下的土壤孔隙度（将土柱采用纯净水饱和）。

2结果与分析

2.1孔隙度变化

膨胀性土壤膨胀和非膨胀条件下土壤孔隙度变化结果如表5所示。可以看出，娄土和黄绵土的孔隙度都发生了较为明显的改变，因此娄土和黄绵土均具有膨胀性，但砂土孔隙度无变化，因此无膨胀性。相同深度条件下，娄土和黄绵土的孔隙度变化分别为23.80%和21.95%，结果显示，娄土的孔隙度和孔隙变化率大于黄绵土，说明娄土膨胀性大于黄绵土。出现这种情况的主要原因在于黄土含有蒙脱石、蛭石等膨胀性黏土矿物，土壤吸水膨胀导致土壤体积增大，孔隙度增大。此外，娄土黏粒含量更大，对应的膨胀性矿物成分含量也更高。

2.2土壤容重变化

膨胀性土壤容重随着土壤含水量的改变而变化。为了便于分析，在此用土壤饱和比容积（饱和时土壤容重的倒数）和饱和膨胀率（饱和状态土壤体积变化量与初始土壤体积之比）来定量表达土壤容积的变化，此两参数随土壤厚度变化关系见图4和图5。可以看出，就土壤饱和比容积与土壤膨胀率而言，膨胀性的黄绵土和娄土随土壤厚度增加而呈减小趋势，而非膨胀性沙土随土壤厚度增大不变化。为了进一步研究土壤膨胀性对土壤饱和容积与饱和膨胀率的影响规律，本文采用数学函数对相关变化关系进行了拟合，其结果如表6和表7所示。可以看出，对于饱和比容积，幂函数和对数函数拟合精度较高，其决定系数均在0.7以上，而指数函数的拟合精度较差，其相关系数小于0.6。

可以看出，对于饱和膨胀率，幂函数拟合效果最好，其决定系数均在0.85以上，对数函数和指数函数

函数类型娄土黄绵土

幂函数y=0.901x-0.063，R 2=0.746y=0.885x-0.055，R 2=0.752

对数函数y=0.9-0.051lnx，R 2=0.715y=0.881-0.043lnx，R 2=0.732

指数函数y=0.81e-0.003x，R 2=0.468y=0.811e-0.003x，R 2=0.565

拟合精度相对较差，其决定系数小于0.85。所以综合而言，膨胀性土壤娄土和黄绵土的饱和比容积随土壤厚度变化关系近似一条幂函数曲线。

出现这种情况的原因可能是，膨胀性土壤饱和后的土壤容重变化是在土体自身重力和土壤膨胀力的综合作用下，土壤容重二次重分布的结果，自身重力导致土壤容重随深度增大而增大，而土壤膨胀力导致土壤容重随深度减小。对于均质定容重装填的土壤，土壤表层自身重力较小，土壤膨胀力大于自重应力，土壤在膨胀力的作用下可以自由膨胀，土壤容重减小，土壤饱和膨胀率增大，饱和比容积增大;但随着土壤深度增大，土壤自重应力增大，土壤自重应力导致土壤容重增大，土壤饱和膨胀率减小，土壤比容积减小。

2.3土壤饱和含水量的变化

土壤饱和含水量随土壤厚度变化关系见图6。可以看出，膨胀性的黄绵土和娄土的土壤饱和含水量随土壤厚度的增大而呈减小趋势，非膨胀性沙土随土壤深度增大而在0.40 g/cm 3附近上下波动。

采用幂函数、对数函数和指数函数拟合膨胀性土壤娄土和黄绵土的饱和含水量随土壤厚度变化关系见表8。可以看出，幂函数和对数函数拟合精度较高，其决定系数在0.85以上，指数函数拟合精度相对较低，决定系数小于0.65。

出现这种情况的原因可能是，膨胀性土壤在饱和过程中，重力和膨胀力综合作用导致土壤容重二次重分布，容重随土壤深度的增加而增加，进而导致土壤孔隙度随之减小。此外，土壤是多孔介质，由黏土矿物蒙脱石等黏土矿物引起的土壤膨胀性堵塞了大孔隙，进一步导致了土壤饱和含水量的降低。

2.4土壤饱和导水系数的变化

土壤饱和导水系数随土壤厚度变化关系见图7。可以看出，娄土和黄绵土土壤饱和导水系数均随土壤厚度的增大而呈减小趋势，沙土土壤饱和导水系数随深度增大而在0.85 cm/min附近上下波动。

采用幂函数、对数函数和指数函数拟合膨胀性土壤黄绵土和娄土的饱和导水系数随厚度变化关系见表9。可以看出，幂函数和对数函数拟合精度较高，其决定系数在0.83以上，指数函数拟合精度相对较低，决定系数小于0.80。

出现这种情况的原因可能是，膨胀性土壤在饱和过程中，土壤容重在膨胀力和重力作用下发生二次重分布，导致土壤孔隙度随土壤深度的增加而减小，进而导致土壤饱和导水系数随之减小。

3结 论

对以黄绵土、娄土为典型代表的膨胀性土壤进行了室内试验，分析了土壤膨胀性对饱和水分运动参数的影响，并采用幂函数、对数函数和指数函数分别对土壤饱和膨胀率、饱和比容积、饱和含水量、饱和导水系数和土壤厚度的关系进行了拟合，得到以下主要结论。

（1） 土壤饱和膨胀率、饱和比容积、饱和含水量和饱和导水系数均随土壤厚度增加而减小。

（2） 幂函数、对数函数和指数函数均可以拟合膨胀性土壤饱和比容积和饱和膨胀率随土壤深度变化关系，其中幂函数拟合效果最好。用幂函数和对数函数拟合上述参数随土壤深度变化关系时效果较好。

（3） 通过三种函数拟合效果对比，发现用幂函数拟合土壤饱和膨胀率、饱和比容积、饱和含水量与饱和导水系数随土壤厚度变化关系时效果最好。

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（编辑：郑 毅）

引用本文：司曼菲，甘永德，苏辉东，刘欢，仇亚琴，李海明.土壤膨胀性对土壤饱和水分运动参数的影响[J].人民长江，2019，50（2）：207-212.

Influence of soil swelling on soil saturated moisture movement parameters

SI Manfei1，2， GAN Yongde 2， SU Huidong 2， LIU Huan 2， QIU Yaqin 2， LI Haiming

（1.Laboratory of Coastal Groundwater Utilization & Protection，Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300450， China;2.National Key Laboratory of Basin Water Cycle Simulation and Control，China Institute of Water Resources & Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract： The expansive soil will greatly affect the movement parameters of soil moisture after absorbing water. In order to study the influence of soil swelling on soil saturated water movement parameters， indoor soil column test was conducted to analyze the influence of different soil thicknesses（2，4，6，8， 10，15，20，25，30，35， 40， 45， 50，55 cm） on soil bulk density， saturated soil water content， and saturated soil hydraulic conductivity in the terms of three types of soils （sandy soil， loess soil， and bauxite soil） and fitting analysis was performed using power， exponential， and logarithmic functions respectively. The results showed that：① Soil saturated expansion rate， saturated specific volume， saturated moisture content and saturated hydraulic conductivity all decreased with increasing soil thickness.② Through the comparison of the three function fitting effects， the power function had the best fitting effect.

Key words：soil expansion; soil moisture movement; soil density; soil saturated moisture content; saturated hydraulic conductivity of soil