土壤膨脹性對土壤飽和水分運動參數的影響

司曼菲 甘永德 蘇輝東 劉歡 仇亞琴 李海明

摘要：膨脹性土壤吸水后易膨脹變形，從而影響到土壤水分的運動參數。為了研究土壤膨脹性對土壤飽和水分運動參數的影響，采用室內土柱試驗裝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）對3種土壤（沙土、黃綿土、婁土）土壤容重、土壤飽和含水量、土壤飽和導水系數的影響，并分別用冪函數、指數函數和對數函數進行了擬合分析。結果表明：① 土壤飽和膨脹率、飽和比容積、飽和含水量和飽和導水系數均隨土壤厚度增加而減小。② 通過3種函數擬合效果對比發現，冪函數具有最佳擬合效果。

關鍵詞：土壤膨脹性; 土壤水分運動; 土壤容重; 土壤飽和含水量; 土壤飽和導水系數

中圖法分類號：P642文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.037

土壤膨脹性是土壤重要的物理特性[1]。膨脹土廣泛分布于我國的諸多地區，膨脹性土壤變形不僅影響著土壤的水文過程，它的浸水膨脹特性通常也會對建在其上的建筑物、構筑物造成很大的危害，如建筑物傾斜裂縫、邊坡工程失穩等，給國民經濟造成了很大的損失[2]。因此土壤膨脹性已成為工程地質學、水文學和土力學等學科關注的重點。

膨脹性土壤受自重應力影響，隨著土壤深度的增加，土壤受力變形特征發生改變，進而引起土壤飽和含水量、飽和導水系數、飽和比容積等參數變化[3-5]。當自重應力較小時，土壤在膨脹力作用下，土壤體積增大，導致土壤孔隙度增大，土壤入滲能力增大;隨著深度的增大，自重應力加深，導致土壤孔隙度減小[6]，土壤入滲能力減小[7]。土壤膨脹變形與初始含水量有關，膨脹力和膨脹變形隨土壤增濕程度增加而增加[8]。在吸水膨脹過程中，土體單元的水平方向有相當大的土體（相對于地表的土體來說）作為限制條件，對水平方向的膨脹應變產生很大抗力，使膨脹變形不能向水平方向發展，土體單元3個方向的應變轉化為一個方向的應變，因此沿最小抗力的方向（垂直向上）發展[9]。

國內外學者認為，土壤脹縮性與土中黏粒分散程度有關，隨著黏粒分散程度的增高而增強。土壤脹縮性能關系到土壤結構的形成和發育、土壤的持水性和導水性以及土壤的抗蝕性等諸多方面[10-11] 。當膨脹性土壤遇水后，在自重和壓力作用下極易發生濕陷現象，同時土壤中的大孔隙也是土體中水分及細粒物質移動的通道，使膨脹性土壤易發生侵蝕[12]。黃土具有膨脹性，黃土脹縮會對土壤結構、水分運動及土體穩定性產生明顯的影響。王益[13]等在研究影響黃土膨脹的因素后認為，在自然環境條件下干濕交替作用頻率和強度越大，土壤膨脹率越大，且首次干濕交替變化對土壤膨脹性影響最大。陳禎[14]等的試驗證實土壤吸水膨脹，失水收縮的性質受土壤孔隙結構及土壤持水特性的影響。

基于此，本文開展室內試驗研究了不同厚度條件下，土壤膨脹性對土壤容重、土壤飽和含水量、土壤飽和導水系數的影響。分析土壤膨脹性對水分運動規律影響，期望對提高流域水循環模擬精度提供理論和實踐參考。

1試驗材料與試驗設計

1.1試驗材料

本次試驗土樣取自河北易縣崇嶺流域典型山坡（中科院地理所野外實驗站）沙土、黃綿土和婁土，土壤的基本物理性質見表1。黃綿土、婁土作為典型的黃土，其膨脹性不同。其中黃綿土的黏土礦物成分以伊利石和綠泥石為主，黏粒含量達17.69%，屬粉質砂壤土;婁土的黏土礦物成分以伊利石和蛭石為主，黏粒比例達45.47%，屬粉質黏壤土。因為婁土中的膨脹性蛭石礦物成分含量較高，吸水膨脹性較好，婁土的膨脹性高于黃綿土[15]。

試驗時土樣經碾壓、過篩（2 mm）、烘干備用。在試驗過程中，不同土壤深度下水分運動參數無法直接獲取，故需設計一組由小到大的土壤厚度序列，通過測定每一土壤厚度序列下的飽和水分運動參數，來計算不同土壤深度處的飽和水分運動參數。其中，飽和含水量和飽和比容積采用質量守恒定理計算，飽和導水系數采用通量相等原理計算，即調和平均數計算[16]。

1.2試驗裝置與方法

不同土壤的水分運動采用如圖1所示的試驗裝置進行試驗。將經碾壓、過篩、烘干后的土樣按一定容重（1.4 g/cm?3）分層均勻裝入直徑為10 cm的土柱中，然后將土柱下口與帶有出水口的PVC板焊接在儀器中，且保證焊接處不漏水。PVC底板由上、下底板構成，中間由直徑10 cm的圓弧連接（壁厚為0.5cm），上底板布滿約1 mm的圓孔，起到支撐土壤及導流的作用，下底板上表面下凹，下表面水平，中心連接有直徑約1 cm左右的軟管，以便收集出流。試驗前，打開閥門，用馬氏瓶從PVC底板出水口處向土柱供水（發泡點水頭與土面齊平），待土柱達到飽和（表面水位超過土面，且出水口開始出水），且其膨脹量達到相應含水量最大膨脹量后，即土柱飽和后，連續測定土柱深度，平均2 d一次。當連續5次測定土柱深度不變時，認為土壤膨脹量達到了最大。

采用稱重法測定飽和含水量，采用定水頭法（厚度為2 cm的土柱水頭為2 cm;4，6，8，10 cm厚的土柱積水深度為4 cm;15，20，25，30，35，40，45，50，55 cm的土柱水頭為10 cm）測定飽和導水系數，采用游標卡尺通過量測土面變化量來測定土壤膨脹量。每種土壤設置14個厚度處理，分別為2，4，6，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55 cm。設置3次重復試驗。

圖1土壤飽和導水率實驗裝置Fig.1Soil saturated hydraulic conductivity experimental device

為了便于分析飽和水分運動參數，采用比重瓶法測定土密度。土壤膨脹特征曲線采用游標卡尺法[15]測定，并用三直線模型[16]進行擬合（土層厚度1 cm），擬合結果見表2。

v=a+1U0

式中，v為比容積，是土壤容重的倒數，cm?3/g;U為質量含水量，g/g;1，2，3為土壤膨脹特征曲線斜率;UA，UB，US分別為拐點處質量含水量，g/g;a，b，c為參數。

實驗過程中采用保持壓力不變的方法測定土壤應力應變關系曲線（圖2）。由于降雨影響土壤深度較小（小于1 m），自重應力不超過25 kPa，因此恒定壓力取值范圍為0～25 kPa，測試土層厚度為2 cm，并采用對數函數[17]進行擬合，擬合結果見表3。

式中，ρs為土壤容重，g/cm?3;p為應力，N/cm?2;γ為土壤濕比重，N/cm?3;Z為土壤深度;A和B為參數。

采用恒體積法（圖3）測定容重-飽和導水系數關系曲線（容重分別為1.1，1.2，1.3，1.4，1.5 g/cm?3，土層厚度為2 cm），并采用Lambe模型[18]進行擬合，擬合結果見表4。

Kse=K010m′（e-e0）（3）

式中，Kse為孔隙度為e的土壤飽和導水系數，cm/min;e為孔隙度，cm?3/cm?3;K0為孔隙度為e0時土壤飽和導水系數，cm/min;m′為參數。

同時，為了便于對比分析膨脹與非膨脹條件下土壤孔隙度變化量，實驗測定了厚度2 cm土柱在非膨脹條件下孔隙度（將土柱采用食用油飽和）和膨脹條件下的土壤孔隙度（將土柱采用純凈水飽和）。

2結果與分析

2.1孔隙度變化

膨脹性土壤膨脹和非膨脹條件下土壤孔隙度變化結果如表5所示。可以看出，婁土和黃綿土的孔隙度都發生了較為明顯的改變，因此婁土和黃綿土均具有膨脹性，但砂土孔隙度無變化，因此無膨脹性。相同深度條件下，婁土和黃綿土的孔隙度變化分別為23.80%和21.95%，結果顯示，婁土的孔隙度和孔隙變化率大于黃綿土，說明婁土膨脹性大于黃綿土。出現這種情況的主要原因在于黃土含有蒙脫石、蛭石等膨脹性黏土礦物，土壤吸水膨脹導致土壤體積增大，孔隙度增大。此外，婁土黏粒含量更大，對應的膨脹性礦物成分含量也更高。

2.2土壤容重變化

膨脹性土壤容重隨著土壤含水量的改變而變化。為了便于分析，在此用土壤飽和比容積（飽和時土壤容重的倒數）和飽和膨脹率（飽和狀態土壤體積變化量與初始土壤體積之比）來定量表達土壤容積的變化，此兩參數隨土壤厚度變化關系見圖4和圖5。可以看出，就土壤飽和比容積與土壤膨脹率而言，膨脹性的黃綿土和婁土隨土壤厚度增加而呈減小趨勢，而非膨脹性沙土隨土壤厚度增大不變化。為了進一步研究土壤膨脹性對土壤飽和容積與飽和膨脹率的影響規律，本文采用數學函數對相關變化關系進行了擬合，其結果如表6和表7所示。可以看出，對于飽和比容積，冪函數和對數函數擬合精度較高，其決定系數均在0.7以上，而指數函數的擬合精度較差，其相關系數小于0.6。

可以看出，對于飽和膨脹率，冪函數擬合效果最好，其決定系數均在0.85以上，對數函數和指數函數

函數類型婁土黃綿土

冪函數y=0.901x-0.063，R?2=0.746y=0.885x-0.055，R?2=0.752

對數函數y=0.9-0.051lnx，R?2=0.715y=0.881-0.043lnx，R?2=0.732

指數函數y=0.81e-0.003x，R?2=0.468y=0.811e-0.003x，R?2=0.565

擬合精度相對較差，其決定系數小于0.85。所以綜合而言，膨脹性土壤婁土和黃綿土的飽和比容積隨土壤厚度變化關系近似一條冪函數曲線。

出現這種情況的原因可能是，膨脹性土壤飽和后的土壤容重變化是在土體自身重力和土壤膨脹力的綜合作用下，土壤容重二次重分布的結果，自身重力導致土壤容重隨深度增大而增大，而土壤膨脹力導致土壤容重隨深度減小。對于均質定容重裝填的土壤，土壤表層自身重力較小，土壤膨脹力大于自重應力，土壤在膨脹力的作用下可以自由膨脹，土壤容重減小，土壤飽和膨脹率增大，飽和比容積增大;但隨著土壤深度增大，土壤自重應力增大，土壤自重應力導致土壤容重增大，土壤飽和膨脹率減小，土壤比容積減小。

2.3土壤飽和含水量的變化

土壤飽和含水量隨土壤厚度變化關系見圖6。可以看出，膨脹性的黃綿土和婁土的土壤飽和含水量隨土壤厚度的增大而呈減小趨勢，非膨脹性沙土隨土壤深度增大而在0.40 g/cm?3附近上下波動。

采用冪函數、對數函數和指數函數擬合膨脹性土壤婁土和黃綿土的飽和含水量隨土壤厚度變化關系見表8。可以看出，冪函數和對數函數擬合精度較高，其決定系數在0.85以上，指數函數擬合精度相對較低，決定系數小于0.65。

出現這種情況的原因可能是，膨脹性土壤在飽和過程中，重力和膨脹力綜合作用導致土壤容重二次重分布，容重隨土壤深度的增加而增加，進而導致土壤孔隙度隨之減小。此外，土壤是多孔介質，由黏土礦物蒙脫石等黏土礦物引起的土壤膨脹性堵塞了大孔隙，進一步導致了土壤飽和含水量的降低。

2.4土壤飽和導水系數的變化

土壤飽和導水系數隨土壤厚度變化關系見圖7。可以看出，婁土和黃綿土土壤飽和導水系數均隨土壤厚度的增大而呈減小趨勢，沙土土壤飽和導水系數隨深度增大而在0.85 cm/min附近上下波動。

采用冪函數、對數函數和指數函數擬合膨脹性土壤黃綿土和婁土的飽和導水系數隨厚度變化關系見表9。可以看出，冪函數和對數函數擬合精度較高，其決定系數在0.83以上，指數函數擬合精度相對較低，決定系數小于0.80。

出現這種情況的原因可能是，膨脹性土壤在飽和過程中，土壤容重在膨脹力和重力作用下發生二次重分布，導致土壤孔隙度隨土壤深度的增加而減小，進而導致土壤飽和導水系數隨之減小。

3結 論

對以黃綿土、婁土為典型代表的膨脹性土壤進行了室內試驗，分析了土壤膨脹性對飽和水分運動參數的影響，并采用冪函數、對數函數和指數函數分別對土壤飽和膨脹率、飽和比容積、飽和含水量、飽和導水系數和土壤厚度的關系進行了擬合，得到以下主要結論。

（1） 土壤飽和膨脹率、飽和比容積、飽和含水量和飽和導水系數均隨土壤厚度增加而減小。

（2） 冪函數、對數函數和指數函數均可以擬合膨脹性土壤飽和比容積和飽和膨脹率隨土壤深度變化關系，其中冪函數擬合效果最好。用冪函數和對數函數擬合上述參數隨土壤深度變化關系時效果較好。

（3） 通過三種函數擬合效果對比，發現用冪函數擬合土壤飽和膨脹率、飽和比容積、飽和含水量與飽和導水系數隨土壤厚度變化關系時效果最好。

參考文獻：

[1]勞家檉.土壤農化分析手冊[M].北京：農業出版社，1988.

[2]黃斌，程展林，徐晗.膨脹土膨脹模型及邊坡工程應用研究[J].巖土力學，2014，35（12）：3550-3555.

[3]黃傳琴.干濕交替過程中土壤脹縮特征的試驗研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2015.

[4]甘永德，劉歡，賈仰文，等.膨脹性土壤飽和水分運動參數計算模型[J].工程科學與技術，2018，50（2）：77-83.

[5]甘永德，賈仰文，劉歡，等.膨脹性土壤降雨入滲產流模型[J].水利學報，2017，48（10）：1220-1228，1239.

[6]楊運來. 黃土濕陷機理的研究[J]. 中國科學（B輯），1988（7）：756-766.

[7]謝婉麗，王延壽，馬忠豪，等.黃土濕陷機理研究現狀及發展趨勢[J].現代地質，2015，29（2）：397-407.

[8]丁振洲，李利晟，鄭穎人.膨脹土增濕變形規律及計算公式[J].工程勘察，2006（7）：13-16.

[9]龍安寶. 淺論膨脹土在脹縮變形過程中的應力應變狀態[J].四川建筑科學研究，2003，29（4）：49-52.

[10]霍云鵬.黑龍江省幾種主要土壤 膨脹性的研究[J].土壤通報，1965（1）：41- 44.

[11]Davidson S E，Pay J B.Factors influencing swelling and shrinkage in soils[J].Soil Sci.Soc Am，1956，（20）：320- 324.

[12]鄭柏楊.適合濕陷性黃土的入滲模型及入滲參數的變化情況研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2017.

[13]王益，王益權等.黃土地區影響土壤膨脹因素的研究[J].干旱地區農業研究，2005，23（5）：93-97.

[14]陳禎，崔遠來，劉方平.不同灌溉施肥模式下土壤濕脹干縮特征曲線及其滯后效應[J].農業工程學報，2013，29（11）：78-84.

[15]黃傳琴，邵明安.干濕交替過程中土壤脹縮特征的實驗研究[J].土壤通報，2008，39（6）：1243-1247.

[16]McGarry D，Malafant K W J.The analysis of volume change in unconfined units of soil[J].Soil science society of America Journal，1987，51（2）：290-297.

[17]陳仲頤，周景星，王洪瑾. 土力學[M].北京：清華大學出版社有限公司，1994.

[18]Lambe T W，Whitman R V.Soil Mechanics，SI version[M].NewJersey Soil mechanics，SI version，1979.

（編輯：鄭 毅）

引用本文：司曼菲，甘永德，蘇輝東，劉歡，仇亞琴，李海明.土壤膨脹性對土壤飽和水分運動參數的影響[J].人民長江，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