黃土中水分入滲過程電阻率與染色示蹤試驗研究

劉志彬，方 偉，陳志龍

(東南大學交通學院，江蘇 南京210096)

0 引言

由于土體結構的空間變異性及各向異性，水分與溶質在土中的流動和運移呈現非均勻性特點.近年來，利用示蹤技術對該過程開展的可視化研究日益增多，例如染色示蹤法在土壤優勢流描述、非均勻流動尺度特性、溶質運移規律研究等方面得到了較好的應用［1-3］.另一方面，土的電阻率是其溫度、含水率、孔隙液電導率、孔隙比、顆粒定向性等的綜合指標［4-5］.許多學者對電阻率指標與土的工程性質間的相互關系進行了研究［6-7］.而孔隙水是影響其導電性最顯著的因素，因此通過測試土體的電阻率指標可對水分入滲過程進行快速監測.

眾所周知，水分入滲對于黃土的工程行為具有重要影響.在干燥狀態下，黃土具有較高的強度因而能承受較大荷載.然而，當水分滲入黃土中，在荷載作用下顆粒間膠結強度一旦破壞，極易產生較大沉降變形［8］.因此，描述和研究水分自土體表面向下入滲過程對于深入了解黃土工程行為具有重要的科學意義.筆者利用電阻率與染色示蹤技術相結合的方法開展天然黃土及人工重塑壓實黃土的室內淋漓試驗.另外，以往研究文獻中，大多都是在示蹤劑溶液入滲后對土體豎向剖面進行形態分析，筆者則針對不同深度水平剖面上的染色區形態進行探討.

1 試驗方案

1.1 試驗材料及儀器

本研究所用黃土取自西安乾景花園，取土深度為4.5～5.0 m.該黃土形成于Q3時期，黃褐色，硬塑狀態，針狀大孔隙發育如圖1所示.該土屬低液限黏土.為了對比分析，試驗采用兩種不同類型的土樣:天然黃土(NL)和重塑黃土(RL).天然黃土樣試驗所用土柱由現場原狀土直接切削而成.將樣品切削后的余料迅速揉碎，再用靜壓法壓制成和天然黃土樣密度相等的重塑土樣，該黃土的基本物理性質如表1所示.試驗過程中稱取少量的亮藍與蒸餾水配制成一定濃度的染色溶液.當亮藍溶液在黏性土中入滲時，黏土顆粒表面會附著藍色的染色劑，從而將溶液的入滲途徑標識出來，為圖像分析提供了便利.試驗中土樣的電阻率測試采用東南大學巖土所研制的ESEU-1型低頻交流電阻率測試儀［9］.

1.2 試驗步驟

在天然及重塑黃土土柱的上表面均勻滴灑預先配制的恒定濃度的亮藍溶液，直至特定量的所有染色劑溶液全部滲入土中，試驗中控制染色劑的用量為0.24 mL/cm3.在溶液入滲過程中，按一定時間間隔測量整個土樣的電阻率.電阻率測試采用兩電極法，即在土柱的上下兩端施加測試電極，在電極片上方施加3 kPa的接觸壓力，保證電極片與土樣間的充分接觸.試驗中控制溶液的用量一定，沒有從土樣底端滲出.淋漓試驗結束后將柱狀土樣沿深度方向每隔5 mm切開，觀察亮藍在土樣剖面上的分布，采用數碼相機拍照用于圖像分析.需指出的是，由于水分在土柱中的入滲過程是非均勻的，因此實測電阻率為整個土樣的等效電阻率.

圖1 天然黃土中的大孔隙結構Fig.1 Macropores in natural loess

表1 天然黃土的物理性質Tab.1 Physical properties of the natural loess

表2 兩種黃土土柱基本情況Tab.2 Basic conditions of two types of loess column

2 試驗結果與分析

2.1 水分入滲過程電阻率描述

以NL01土樣為例嘗試利用電阻率技術追蹤水分入滲過程.水分自土柱表面入滲開始后，土樣側壁很容易觀察到水分運移的前緣或稱濕潤前鋒，如圖2所示.濕潤前鋒隨時間前進的距離如圖3所示.隨著入滲過程的發展，土樣的濕潤段長度基本上線性增大，滲試驗開始70 min后，濕潤前鋒到達土樣底端，濕潤段長度即保持不變.然而溶液入滲過程中，土柱的等效電阻率并非線性降低，基本上可分為三個階段.在初始階段0～30 min，溶液滲入土中后被土樣迅速吸收，因而電阻率快速降低.在第二階段30～66 min，土樣的等效電阻率雖然繼續降低，但降低速率變緩，最后一個階段66 min以后，溶液入滲的前緣到達土樣底端，土樣中開始形成良好的導電途徑，土樣的導電性再次明顯改善，因而電阻率出現第二次快速降低，此外，雖然濕潤前緣已經抵達土樣底端，但土樣的等效電阻率仍在快速降低，這也說明電阻率參數反映出了土樣內部水分的繼續運移和發展過程.基于以上分析，說明利用電阻率法描述水分在土中的入滲和運移過程是可行的.

不同土柱染色示蹤溶液入滲試驗過程中土樣電阻率隨入滲時間變化曲線如圖4所示.從圖中可以看出，天然黃土電阻率隨時間降低曲線的斜率較重塑土更大.分析認為，這是由于兩種類型土樣的結構性差異造成的.由于結構性遭到破壞，重塑黃土較天然黃土更加均質，因此水分在同一斷面上的入滲和運移較天然黃土更加均勻.而天然黃土的結構性使其土樣具有典型的非均質性，內部的大孔隙結構都是其水分運移的優勢通道，因此水分表現出更好的滲透運移能力，相同入滲時間里，天然黃土的電阻率降低程度較重塑土也就更加明顯.

圖2 水分入滲過程的濕潤前鋒Fig.2 Front wetting edge of moisture infiltration

2.2 橫斷面染色示蹤分析

為了進一步描述天然黃土與重塑黃土之間的結構性差異，對淋漓入滲試驗結束后土樣不同深度斷面進行照相，并將圖像二值化處理，部分結果如表3所示.表中每一土樣最右側染色圖像表示染色劑溶液所能到達的最深斷面.染色劑分子在黏性土中會被吸附在土顆粒表面，因此，在染色劑用量一定的情況下，土樣中只有一定深度范圍內的剖面會被染色.從表中發現，對于給定入滲量的染色溶液，染色劑在天然黃土中入滲到達的位置比在重塑黃土中更深.天然土中被亮藍染色的剖面的最深位置約為自頂面起19～33 mm處，但對于重塑土染色剖面最深處一般在15～20 mm處，說明染色劑溶液在天然黃土中的下滲能力優于重塑黃土.

橫剖面上染色區域面積與整個土樣橫截面面積的比值或稱染色區面積比沿深度方向變化曲線如圖5所示.由于入滲到下部的水分越來越少，因而染色區面積比隨深度降低.由于土柱上表面處全斷面通過染色劑溶液，因此染色區面積比為1.而溶液入滲所能到達的最深處沒有被染色，因此染色區面積比為0.從圖5可以看出，一般來說天然土樣中染色劑能到達的深度較重塑土更大，因此天然黃土中染色區面積比隨深度降低的程度較重塑土小.

另一方面，從表3中還可以看出，同一深度橫剖面上染色區幾何形狀重塑黃土比天然黃土更加規則和完整.由于天然結構性土中存在許多大直徑針狀孔隙，使得水溶液在入滲過程中優先選擇這樣的孔隙通道運移.這些優勢路徑并非均勻分布，這就造成了天然黃土橫剖面上染色區的不規則形狀，在較深位置處尤其如此.而重塑黃土中，同一斷面上孔隙分布比較均勻，因此染色劑溶液通過同一斷面不同點的幾率差不多，染色區域的幾何形狀就比較完整.

為進一步評價染色區的不規則性，筆者采用分形幾何方法中的計盒維數對染色區邊界形狀的不規則性進行定量分析［10］，結果如圖6所示.從圖中可以看出，隨著深度的增加，對于重塑黃土來說，其染色區邊界的計盒維數隨著深度的增大而單調增大.對于天然結構性黃土，其染色區邊界的計盒維數隨著深度的增加先增大后減小.分析認為，越深的剖面上染色區域的幾何形狀越能體現入滲通道的非均質性，因此染色區邊界的分維值越高.但天然黃土中當溶液入滲超過一定深度后，優勢流僅局限在一個較小的范圍，因此染色區邊界幾何形狀趨于簡單化，其分形維數有所減小.對于重塑黃土，與天然結構性黃土中的入滲過程有所不同，越深處染色劑溶液入滲過程的優勢流現象或不均勻性越明顯，越靠近淺部染色區在斷面上的發育程度越完善，渾圓度越高，分維值自然也越小，相對來說，其入滲前鋒處的染色區幾何形狀最不規則.

圖6 不同橫剖面上染色區邊界分形維數Fig.6 Fractal dimension of the stained area boundary at different cross-section

3 結論

(1)隨著水分的滲入，土樣的電阻率不斷降低，其降低過程表現出一定的階段性，且在重塑土中更加明顯.

(2)由于大孔隙結構的存在，水分及溶質在天然黃土中的入滲運移能力較重塑土更高，因此相同入滲時間里，天然黃土的電阻率降低程度高.在總量一定的條件下，染色劑溶液在天然黃土中可以到達較重塑黃土更深的位置.此外，天然黃土中染色區面積比隨深度降低的程度較重塑土小.

(3)在水分入滲過程中，在天然黃土中水分有優先選擇大孔隙通過的特點，因而其染色區域表現為典型的不規則形狀，而重塑土中此現象不明顯.染色區邊界分形維數在重塑黃土中隨深度單調增大，而在天然黃土中則是先增大后減小.

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