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水 利 学 报

2021 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 3 期

文章编号：0559-9350（2021）03-0291-09

基于湿润锋前进法的不同应力状态砂质黄土土柱渗流试验

蔡国庆 ，刘倩倩 ，杨 雨 ，王华雄 ，李 舰 2
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1，2
（1. 城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044；2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044）
摘要：由于试验装置的局限性，非饱和土渗透特性的研究大多未考虑应力对渗透系数的影响。为探讨水-力耦合
作用下砂质黄土的渗透特性，自主研制了一套水-力耦合试验装置。采用湿润锋前进法探究了不同初始干密度和
轴向力对非饱和渗透系数的影响，得到水-力耦合作用下非饱和黄土渗透性和轴向位移的演化规律。结果表明：
（1）砂质黄土的渗透系数随基质吸力的增大而减小，在不同测试截面处渗透函数曲线出现分层现象；（2）土体的渗
透系数随初始干密度和轴向力增大而减小；（3）随轴向力增大，不同初始干密度土柱的稳定渗透系数趋向一致；
（4）砂质黄土具有较大的水敏性，在水-力耦合作用下土体结构破坏，导致湿化前后轴向位移差异较大。
关键词：砂质黄土；非饱和渗透系数；土柱试验；水-力耦合；湿润锋前进法
中图分类号：TU442 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200446

1 研究背景

国内外学者针对饱和土的渗透特性开展了大量研究，而工程界遇到的土体大多呈现可变形的非
饱和状态 ［1-3］ 。黄土作为一种特殊土，水分入渗会导致非饱和黄土强度降低，并在应力作用下产生湿
陷变形，对工程的施工与运营安全造成威胁。因此，研究非饱和黄土在水-力耦合作用下的渗透特性
［4］
具有重要意义 。
现有研究中，通常采用间接法和直接法两种方法确定非饱和土在水-力耦合作用下的渗透系数。
［5］
间接法是采用土-水特征曲线（SWCC）或其它土体特性来预测非饱和土的渗透性。其中，Leong 等 、
［6］
［7］
van Genuchten 、Fredlund 等 提出的渗透系数模型已得到广泛应用。直接法是在实验室或现场直接
测量非饱和土渗透系数，包括稳态法、瞬态剖面法和湿润锋前进法等。由于非饱和土渗透试验的试
［9］
［8］
验周期长、试验装置复杂且成本过高等问题，仅有少量学者采用直接法进行研究 。Barden 等 、
Huang 等 ［10］ 利用稳态法测量土体渗透系数，但试验达到平衡需要较长时间。为进一步缩短试验时间，
Meerdink 等 ［11］ 、王红等 ［12］ 在实验室内利用瞬态剖面法，测定了不同类型土体的非饱和渗透系数，该
方法的有效性得到证实，但其测试结果受传感器布设间距和测试时间间隔等因素的影响 ［13-14］ 。基于瞬
态剖面法，Li 等 ［15］ 首次提出湿润锋前进法，并利用该方法对五种不同类型土体进行毛细上升和入渗
试验，其测试结果表明湿润锋前进法所需的监测截面更少，试验周期更短，可得到较广吸力范围内
的渗透函数曲线；李旭等 ［16］ 和刘丽等 ［17］ 利用试验和数值模拟对湿润峰前进法的适用性和准确性进行
了分析；胡海军等 ［14］ 对该方法的水力梯度计算公式进行了改进，减少了测得渗透系数的波动性。
非饱和土的渗透性取决于两个应力状态变量，即净应力和基质吸力，它们控制着非饱和土的含
水量 ［18-19］ 。现有试验研究大多未考虑应力对渗透系数的影响，仅有少数学者分析了非饱和土渗透系数
的应力相关性。吴礼舟等 ［20］ 通过 Fourier 积分变化获得非饱和土渗流和变形耦合的一维解析解，表明

收稿日期：2020-06-21；网络首发时间：2021-01-13
https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210112.1102.002.html
基金项目：北京市自然科学基金面上项目（8202038）；国家自然科学基金项目（52078031，51722802，U1834206）；中央高校基
本科研业务费专项（2020JBM048）
作者简介：蔡国庆（1983-），教授，主要从事非饱和土力学等研究。E-mail：guoqing.cai@bjtu.edu.cn
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