壓實膨脹土入滲特征試驗研究

摘要：

為研究不同壓實度變化下膨脹土入滲特征及規律，通過自制亞克力桶實驗裝置，以不同干密度膨脹土為研究對象，開展一維豎向膨脹土柱滲流試驗，分析其對膨脹土水分運移規律的影響。結果表明：① 入滲速率、濕潤鋒前進速率與膨脹土壓實度呈負相關，即在相同入滲時間內，隨著壓實度的增大，累積入滲量減少，濕潤鋒向前推進的距離減小；② 各測點含水率的變化規律相似，均有平穩、迅速增長、達到高峰、保持平穩4個時期；③ 隨著水分入滲土柱產生膨脹，土柱頂部膨脹量大，底部膨脹量小，膨脹現象與濕潤鋒前進響應一致，但膨脹現象存在滯后，且與壓實度呈正相關。研究成果對于理解膨脹土的入滲特性和規律具有重要意義。

關鍵詞：

膨脹土； 垂直入滲； 干密度； 濕潤鋒； 模型試驗

中圖法分類號：TU443

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.017

文章編號：1006-0081（2025）01-0096-08

0 引 言

膨脹土礦物組成以蒙脫石、伊利石等為主，具有顯著的脹縮性、裂隙性、超固結性等典型性質，可能對基礎設施等造成危害。膨脹土災害主要是由其失水收縮與吸水膨脹導致［1］。在自然狀態下，膨脹土通常具有較高的強度，一般不會產生破壞作用，但對周邊的水分、溫度等環境因素十分敏感。大量工程案例表明，膨脹土失穩破壞多發生在雨季，降雨滲透不僅會增加土體的重度并減弱其抗剪強度，還會引發土體的額外膨脹變形和膨脹壓力，導致下滑力增加，進而引發膨脹土體漸進性淺層不穩定破壞［2-3］。因此，研究膨脹土入滲特性和穩定性，對工程和土力學領域具有重要意義。不同壓實度對膨脹土的滲透特性影響是一個關鍵問題。許英姿等［4］通過使用壓力板儀試驗和變水頭滲透試驗，探究了不同壓實度對膨脹土滲透性的影響。胡瑾等［5］進行了不同荷載和干濕循環作用下的試驗，以確定膨脹土在不同荷載和干濕循環條件下的脹縮變形規律，以及膨脹土水滲透系數和氣滲透系數的變化規律。Toll，Gatmiri，Habibagah等［6-8］的研究表明，膨脹土土體的含水率差異對膨脹土的膨脹收縮變形量有顯著的影響。吳飛亞等［9］通過室內試驗、理論分析等手段，分別對重塑土與原狀土滲透性能、膨脹實驗數據結果進行研究，并分析總結膨脹土滲透及膨脹特性規律。賀雷等［10］通過進行土水特征曲線試驗和飽和滲透試驗，得到不同干密度下的非飽和膨脹土滲透系數與基質吸力、體積含水量之間的變化規律。袁俊平等［11］通過膨脹土單向浸水膨脹試驗，研究了單向浸水條件下膨脹土的膨脹時程特性。葉云雪等［12］以南陽中膨脹土為研究對象，通過室內一維膨脹特性試驗和土水特性試驗探究不同初始狀態（包括吸力、含水率和干密度等）影響下非飽和重塑土膨脹率或膨脹力的演化規律。

盡管大量文獻對膨脹土的滲透特性進行了深入研究，但是大多集中在特定條件下的實驗室試驗，對于膨脹土在實際工程中的表現還需進一步驗證；此外，對于膨脹土的滲透性影響因素的綜合考慮仍然有待加強，例如土體的微觀結構對滲透性的影響等。此外，在不同環境條件下膨脹土的滲透特性變化規律也需要深入探討。

干密度是影響土壤中水分滲透的重要因素，需要深入分析其對膨脹土水分運移規律的影響。本文通過開展一維膨脹土柱滲流試驗，研究膨脹土的入滲和變形及特征。

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗所用土樣的物理指標見表1。土樣取自河南南陽東部社旗縣泥河趙村，膨脹土地理位置及造成的危害如圖1所示。試驗用土為重塑土，液限、塑限分別為54.2%，24.9%。由自由膨脹率可知試驗土樣為弱膨脹性膨脹土。在制備樣前將土樣暴曬使其干燥，碾碎后過2 mm的篩，然后配置10%含水率的土樣，放入亞克力箱子中靜置24 h，保證土樣中水分均勻分布。

1.2 試驗設備

本次一維土柱模型試驗是由自制的圓柱體亞克力桶、水分傳感器與采集器、帶自動記錄數據的稱重機和供水系統組成（圖2）。亞克力桶為上部開口，下部裝有出水口，柱身內徑360 mm，高800 mm，壁厚10 mm，桶底部放置透水板內徑370 mm，厚5 mm。在距離桶底10，20，30，40 cm的位置分別設置4個大小一致的鉆孔用于埋設水分傳感器。從土體表面開始向下每5 cm在桶壁設置藍色位移標志物。桶頂部放置進水管，在桶上部開孔排水，旁邊放儲水桶，內部通過潛水泵形成水循環系統，保持定水頭。將電子稱重機放置于水桶之下，記錄水桶的質量變化，計算入滲量。通過水分傳感器、沉降標志物，對試驗過程中的含水率、水入滲量和豎向位移進行監測。

1.3 試驗方法

試驗采用壓實度為90%、直徑360 mm、高600 mm的圓柱形土樣。裝填土柱模型時，在亞克力桶的底部透水板上鋪設一層透水濾紙，以防止上部土顆粒進入透水板，影響土柱的透氣性與透水性。土樣裝填以及標志物、傳感器安置具體步驟如下。

（1） 設定壓實膨脹土的初始含水率為15.6%，分別控制土樣的干密度（ρd）為 1.52 g/cm3與1.62 g/cm3，保證膨脹土土體均勻，透氣性一致。分6層，每一層分別需要15.46 kg（1.52 g/cm3）與16.48 kg（1.62 g/cm3）的土，倒入亞克力桶里，并用夯土器夯實。對裝填好的膨脹土表面進行刮毛處理，繼續倒入下一層膨脹土裝填，重復上述步驟直至土柱完成。

（2） 在亞克力桶壁上，每隔5 cm豎直設置一個藍色標志物，共計10個，同時在標志物旁邊放置卷尺，以便測量和觀察。土柱裝填完成后，在土柱的上部鋪設透水濾紙，以防止水在不斷的循環中對土柱表面造成沖刷，從而影響試驗。

（3） 土柱制作完成后，其中在距離柱底5，20，35，50 cm位置分別插入水分傳感器并記相應含水率為W1，W2，W3，W4，調試水分傳感器至讀數穩定。

（4） 開啟水循環系統，土柱上部蓄水至10 cm固定水頭，控制水頭穩定，進行定水頭的膨脹土滲水試驗。土柱試驗入滲開始時，通過電子稱重機每5 min測量記錄土柱的質量變化，得到每個時間段的入滲量。

（5） 在試驗過程中觀察到濕潤鋒的不斷向下運動，分析入滲深度、累計入滲量，記錄觀察膨脹土土柱水分在不同時刻的變化以及不同位置標志物的位移情況。持續進行試驗，直至土柱底部的排水管流出穩定的水流，然后停止試驗。

2 試驗結果

2.1 入滲變化

2.1.1 水量累計入滲量和入滲率的變化

通過試驗分別繪制不同干密度膨脹土水量累計入滲量及入滲率隨時間的變化曲線。① 在試驗開始時記錄兩個對照試驗下的水量累計入滲量隨時間變化的曲線（圖3），由曲線可知干密度越小的水量累計入滲量更大并且入滲時間更短。② 水量入滲速率隨時間的變化曲線如圖4所示，干密度小（圖4（a））的入滲速率大于干密度大（圖4（b））的組，且入滲結束時間也越短。

2.1.2 體積含水率隨入滲時間變化

不同干密度下水分滲透至監測點所需時間見表2，對比在不同密度下到達4個水分傳感器的時間，可以看出，1.52 g/cm3與1.62 g/cm3土樣到達相同位置所需的時間存在明顯差異，而且隨著入滲深入，到達相同距離水分傳感器所需的時間差異變得更加顯著。

不同深度體積含水率隨入滲時間的變化曲線見圖5，1.52 g/cm3與1.62 g/cm3土樣的體積含水率隨入滲時間的變化曲線趨勢相似。當水分到達傳感器，含水率急劇增加，隨后經過一段時間，增長趨勢減緩，直至水分完全透過傳感器，含水率數值保持穩定。由于干密度差異，兩個不同干密度下的含水率隨入滲時間變化曲線在時間軸上存在較大差距，干密度大的情況下所需時間更長。

2.2 入滲濕潤鋒前進變化

根據試驗所得數據，制作不同干密度下濕潤鋒前進距離與速率隨時間的變化曲線（圖6）。不同干密度土樣的濕潤鋒前進距離-時間曲線與濕潤鋒前進速率-時間曲線趨勢一致，濕潤鋒前進距離隨入滲時間的變化呈非線性增長，濕潤鋒的入滲速率都是由短時間內的快速入滲到速率逐漸下降至平穩階段。隨著密度增加，濕潤鋒前進時間延長，濕潤鋒前進速率下降。不同干密度下的變化曲線在時間上有較大的差距，干密度大的土樣，其濕潤鋒到達相同距離水分傳感器所消耗時間更長。

根據試驗數據，制作了濕潤鋒每前進10 cm所需要的時間橋圖（圖7），其分別由增加的部分與總耗時組成。由濕潤鋒的前進變化可知滲流發展情況，密度越大的土柱，滲流到相同的位置所消耗的時間越長，總體滲流時間也越長。其中，增量代表了濕潤鋒面每向膨脹土土柱下前進10 cm的距離所用的時間，即滲流時間差。增量越小，每前進10 cm的時間消耗越短；增量越大，每前進10 cm的時間消耗越長，總計代表了濕潤鋒到達亞克力桶底部深度所消耗的總時間。

2.3 土柱膨脹變化

通過在試驗前依次設置藍色標志物進行土柱膨脹分析。繪制時間與膨脹關系曲線（圖8），分析總結土柱不同位置的膨脹情況，其中8～10標志物未發生明顯移動所以未繪制。

兩個對照試驗下的標志物中，上部標志物都先膨脹，隨著水分入滲到下部；1.52 g/cm3試驗組標志物發生了沉降，而1.62 g/cm3試驗組未沉降，充分浸潤后發生了一定的膨脹，最后趨于穩定。

3 討 論

3.1 壓實膨脹土入滲特征分析

3.1.1 水量累計入滲量與入滲率變化分析

水量累計入滲量變化與入滲率是反映膨脹土入滲

特性的重要指標，土體的壓實度變化往往會導致土體內部孔隙壓縮，而水分入滲能力主要是由土體孔隙的大小以及水孔隙間的流通性決定的，這同時也是確定膨脹土入滲特性的重要依據［13］。

水量累計入滲量的曲線隨時間的變化呈非線性增長。為了進一步探究干密度對水分入滲率的影響，對圖3數據進行擬合，結果如表3所示。兩組不同干密度的擬合結果表明，水量累計入滲量（Q）隨入滲時間（t）的變化關系式均呈冪函數形式。

由圖3可得，不同干密度壓實膨脹土累積入滲水量隨時間的延長逐漸增加，且趨勢相同。累積入滲水量在試驗前期為快速增加階段，中期為水量增量逐漸減小階段，后期為勻速變化增長趨于穩定階段。對照圖4可得，在試驗開始時，積水入滲前期，由于膨脹土土柱表層土體比較干燥，且重新裝填土體顆粒之間孔隙較大，加水速率大，但是沒有一開始即達到設定的10 cm固定水頭高度。在入滲初期，土體含水率低，基質吸力較大，水分快速入滲填充土體孔隙，水量全部入滲至土柱中，前期的快速入滲階段不受積水過程的影響，這個階段的入滲速率理論上等于積水速率，為積水控制階段。當積水高度到達設定的10 cm固定水頭高度時，由于膨脹土表層土體飽和，表層孔隙被水填滿，水量入滲速率快速減小。這一現象說明，水在往膨脹土土柱下方入滲的過程中，土體入滲能力減小，逐漸進入了土體入滲能力控制階段，這一階段的膨脹土實際入滲率達到了土體的入滲性能，也被稱為非飽和入滲階段。隨著入滲深度的繼續加深，水量入滲速率不斷減小。當膨脹土土柱入滲速率到達飽和階段后，入滲速率趨于穩定，這一階段稱為飽和入滲階段［14］。

由圖4可得，由于膨脹土土柱不同干密度的影響，水量入滲速率隨時間的變化曲線存在差異［15］。對比發現，不同干密度下膨脹土土柱水量入滲速率隨時間變化的趨勢與水量累計入滲量相對應，干密度對于水量入滲速率有明顯的影響，1.52 g/cm3與1.62 g/cm3的膨脹土土柱歷時分別為3 d與7 d。造成這一現象的原因在于不同干密度的膨脹土土柱的變化使膨脹土的內部孔隙之間的連通性發生變化，干密度越大，相同單位的土體之間孔隙所占體積比例越小，孔隙之間的連通性越差，內部更加不容易排出氣體，土體遇水容易產生封閉氣泡，隨著時間的推移，膨脹土土體內部產生越多封閉氣泡（圖9）。由于封閉氣泡的存在，對水的阻礙性較大，封閉氣泡在土體中的存在時間長短與土體的干密度有關，干密度越大，在土體的存在時間越長，對水的入滲影響越大［16］。干密度相同時，黏性土與砂性土相比，其中的封閉氣泡對水分入滲的阻礙作用更加明顯，1.62 g/cm3的膨脹土土柱的滲透性比1.52 g/cm3膨脹土土柱滲透性差，因此圖3～4中入滲率與干密度呈現負相關性。

3.1.2 豎向水分入滲分析

通過觀察不同位置的體積含水率變化，分析膨脹土土柱的浸水入滲過程。在試驗中，由于水分是從上往下入滲的，因此水分傳感器的響應也是依次發生的，與濕潤鋒的到達情況一致。如圖5所示，不同干密度下體積含水率的變化趨勢基本相同，經歷平穩、迅速增長、達到高峰、保持平穩4個階段。平穩階段是因為水分尚未滲透到水分計位置，數值保持不變；快速增長階段，水分到達水分計位置，體積含水率迅速增大，達到峰值［17］；保持平穩階段，土體體積含水率達到飽和狀態，不再增加，直至膨脹土底部出水口流水，試驗結束。豎向水分入滲規律結果表明，干密度越大，水分入滲越緩慢，到達土柱深部所需時間也越長。

由表2可得，膨脹土的干密度越大，水分滲透到同一位置所需的時間越長。體積含水率與時間的關系（圖5）表現為干密度與入滲時間存在正相關性，干密度的增大導致膨脹土的滲透性降低，水分的入滲能力減小，在相同定水頭條件下同一時間的水分入滲率以及濕潤鋒的前進速率明顯減小。

綜上所述，膨脹土的干密度對入滲過程有顯著影響。隨著干密度的增加，水分的入滲速度減緩，特別是隨著深度的增加，水分的入滲率進一步降低。

3.2 膨脹土柱濕潤鋒前進特征分析

為進一步探究濕潤鋒前進距離與時間關系，對獲得的數據結果進行擬合，擬合結果如表4所示，兩組不同干密度的擬合結果表明濕潤鋒前進距離（Z）隨時間的變化均呈冪函數形式。

根據圖6以及試驗的現象分析，在試驗過程中，隨著時間的增加、濕潤鋒的運移，濕潤鋒向下前進深度曲線與水量累計入滲量曲線趨勢相似，均是前期快速入滲，后隨著入滲水量的增加以及入滲深度的變化，增量逐漸減小并趨于穩定。濕潤鋒的前進速率通過單位時間內的濕潤鋒前進距離表示出來，不同干密度（1.52，1.62 g/cm3）土柱的濕潤鋒前進距離曲線和濕潤鋒前進速率的曲線趨勢都相似。

由圖7可得，膨脹土土柱干密度的變化，對于相同距離膨脹土土柱的濕潤鋒前進時間影響明顯，干密度為1.62 g/cm3的膨脹土土柱到試驗結束所消耗的時間遠大于干密度1.52 g/cm3膨脹土的時間。濕潤鋒前進速率也受到相同影響，這是因為較大的干密度導致膨脹土土柱中的孔隙含量減少，水分主要通過土體孔隙間的運動向下移動。由于后期的自重增加，土體會發生一定程度的濕陷沉降，再次減少孔隙率，增加土體密實度，從而阻礙了水分向下滲透，延長了入滲時間。具體表現為在同一時間點，濕潤鋒的移動距離減小，濕潤鋒的前進速度減緩。

綜上所述，不同干密度的膨脹土對濕潤鋒的前進時間曲線和前進速率的趨勢是一致的。但隨著干密度的增加，濕潤鋒前進相同距離所需的時間也隨之增加，特別是隨著濕潤鋒前進深度的增加，前進相同距離所需的時間差距會進一步增大。

3.3 膨脹土柱豎向形變特征分析

通過圖8的對比分析，可以發現在相同的干密度下，標志物的膨脹量呈明顯變化趨勢。在試驗開始時，每個標志物的膨脹保持不變，隨著水分的入滲，1號標志物首先開始膨脹，然后是其他編號的標志物。

1.52 cm3干密度的膨脹土1號標志物遇水先發生膨脹，膨脹量最大為0.9 cm，然后因下部土體發生沉降，牽引上部土體向下位移。2～6號標志物未遇水先發生膨脹，每隔一段時間觀察記錄，標志物濕潤鋒未到達，先發生膨脹，分析認為濕潤鋒雖然沒有到達標志物，但是由于非飽和土粒間存在吸力［18］，一部分水分向下入滲，導致土體發生部分膨脹，水分由上至下依次滲透到標志物后，再次引起膨脹，并產生向上位移，隨后由于上部土體的自重和水分重量，產生沉降。7號標志物由于上部土體的自重和水分重量，未發生膨脹，而只發生沉降作用。分析8～10號標志物所在的土層，認為由于上部每次分層夯土都進一步對下部的土體產生影響，使土體更加密實，水和土體自重的作用導致標志物發生位移不明顯［19］。

干密度為1.62 g/cm3的1號標志物，膨脹量最大為1.6 cm，1～3號標志物依次發生膨脹，這是由于水分滲透到上部土體引起的膨脹效應，而這個膨脹效應會引發下部土體向上位移。由于干密度較大，膨脹量大于沉降量，因此在水分和土體自重的共同作用下，未發生沉降。4～6號標志物由于上部水分不斷滲透和土體自重的作用，首先發生了一定程度的沉降，據試驗數據觀察分析，每隔一段時間觀察記錄，標志物濕潤鋒未到達，先發生膨脹，分析認為濕潤鋒雖然沒有到達標志物，但是由于非飽和土粒間存在吸力［20］，一部分水分向下入滲，導致土體發生部分膨脹，水分由上至下依次滲透到標志物后，再次引起膨脹，直至膨脹穩定。在早期，7號標志物由于上部水分不斷滲透和土體自重的作用，首先發生了一定程度的沉降；在試驗進行到80 h時，水分滲透到標志物后，經過一段時間的浸潤，發生膨脹，然后趨于穩定。對于8～10標志物所在的土層，由于上部每次分層夯土都使下部的土體更加密實，加之水及土體自重的作用，導致標志物位移不明顯。

綜上所述，在開始階段，兩個不同密度下的膨脹土都經歷了膨脹。對于1.52 g/cm3的較小密實度下，土體在一段時間后，在水分滲透和自重的作用下被壓縮并最終趨于穩定；下部土體受到自重和水分的影響，也經歷了壓縮。在1.62 g/cm3的密實度下，上部土體未發生壓縮，持續膨脹，而下部土體因自重和水體重量的作用而受到壓縮，但在水分浸潤后又發生膨脹。相比于1.52 g/cm3，1.62 g/cm3的樣品在相同的體積下需要更多的土體，導致分層裝填時最底部的土體被進一步壓實。分析認為，上部每次分層夯土都進一步使下部的土體更加密實，具有更高的抗壓能力，因此其在受到上部土體自重和水分重量的影響下沉降變形不明顯。密實度增加會減少土體的膨脹性，也會大幅減小膨脹變形。綜合上述及試驗數據觀察分析，標志物沒有發生明顯沉降。

3.4 存在的不足

（1） 在濕潤鋒的初始測量階段，由于水分迅速滲透，需要在短時間內進行快速且多次測量，人工無法在短時間內記錄多次。

（2） 在標志物膨脹階段，盡管模型桶表面已經涂抹了凡士林，但在填土和安裝標志物的過程中仍然存在一定的摩擦力，導致標志物膨脹并產生摩擦力。

4 結 論

通過自主研發一維土柱垂直入滲試驗裝置，開展一維向下膨脹土柱滲流試驗，得到以下結論。

（1） 不同干密度累計入滲量隨密度增大而減小，水量累計入滲量隨時間的變化均呈冪函數形式。

（2） 在浸水條件下，膨脹土土柱的入滲特征依次經歷平穩、迅速增長、達到高峰、保持平穩4個階段。干密度越大，這4個階段的持續時間越長。

（3） 壓實膨脹土土柱干密度對濕潤鋒入滲特征的影響明顯，當干密度減小時，相同時間的段入滲率增大，濕潤鋒前進的距離增大；當干密度增大時，相同時間的段入滲率減小，濕潤鋒前進的距離減小，累計入滲量隨時間的變化均呈冪函數形式。

（4） 不同干密度條件下的膨脹標志物位移表現出顯著變化，干密度越大，最終膨脹量越大，達到最大值所需的時間也越長。此外，水分和土體自重對膨脹土土柱的影響較大。隨著深度增加，膨脹土土柱受水和自重的影響增大，膨脹量略有減少。

（5） 在室內進行重塑膨脹土試驗可能存在人工記錄和測量誤差。下一步可以采用現場原位試驗的方式，在不破壞土體結構的前提下進行研究，并通過對比分析來進一步完善膨脹土的入滲研究。

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（編輯：高小雲）

Experimental study on infiltration characteristics of compacted expansive soil

WEN Jingyu，AN Mengqi，QIN Tian

（College of Geosciences and Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：

In order to study the infiltration characteristics and laws of expansive soil under different compaction degrees，the seepage test of one-dimensional vertical expansive soil column was carried out with different dry density expansive soil as the research object in a self-made acrylic barrel experimental device，and the influence of different compaction degrees on water transport in expansive soil was analyzed.The results show that： ① The infiltration rate，advancing rate of the wetting front，and the compaction degree of expansive soil were negatively correlated.Within the same infiltration time，as the compaction degree increased，the cumulative infiltration amount would decrease and the distance of the wetting front advancing would decrease.② The variation pattern of moisture content at each measuring point was similar，with four periods of steady，rapid growth，reaching peak，and maintaining stability.③ As water infiltrated into the soil column，it expanded with a larger expansion at the top and a smaller expansion at the bottom.The expansion phenomenon was consistent with the response of the wetting front，but there was a lag in the expansion phenomenon，which was positively correlated with the compaction degree.The research results can provide a reference for understanding the infiltration characteristics and laws of expansive soils.

Key words：

expansive soil； vertical infiltration； dry density； wetting front； model experiment