Page 42 - 水利学报2021年第52卷第3期

渗流和变形耦合对非饱和土中的水分入渗产生重要影响。张雪东等 ［21］ 建立了变形对土水特征曲线影
响规律的预测模型，可利用该模型间接得到变形对渗透系数的影响。C.W.W.Ng 等 ［22］ 自主研制了一套
非饱和土一维渗流装置，采用瞬态法探究了黄土的 SWCC 和渗透系数的应力相关性，但该试验忽略
了土样的变形。张林等 ［23］ 开展了常水头入渗试验，探讨了竖向压力对黄土压缩湿陷特性和入渗过程
的影响。张登飞等 ［24］ 利用自制的非饱和土三轴渗透仪，探究了孔隙比、等向应力等对非饱和原状黄
土增湿渗透系数的影响。由于试验设备的局限性，上述研究未充分考虑应力和干密度对土体渗透及
变形特性的影响。
为探究水-力耦合作用下土体的渗透特性，以陕西靖边阳城隧道出口的砂质黄土为研究对象，利
用自主研制的水-力耦合试验装置，开展了一系列非饱和砂质黄土渗透系数测量的模型试验。自主研
制的试验装置可控制模型试验水流入渗速率、外部荷载大小等边界条件。不同初始干密度的土柱在
轴向应力条件下进行渗流试验，利用大量程百分表记录土柱的轴向变形，并采用湿润锋前进法计算
得到土体的渗透系数。模型试验重点研究了不同干密度下非饱和砂质黄土在水-力耦合作用下其渗透
及变形特性的演化规律，并揭示了水-力耦合作用下非饱和土渗透特性演化的内在机理。

2 试验原理

采用 Li 等 ［15］ 提出的湿润锋前进法（WFAM）确定非饱和砂质黄土在不同竖向应力作用下的渗透系
数 k。针对一维圆柱形干燥土样，开展自上而下的渗流试验，湿润锋定义为干燥与湿润土样之间的分
界线（图 1）。在入渗过程中；土柱逐渐湿化，湿润锋位置随时间不断下移。通过连续记录湿润锋位
置、含水率和吸力随时间的变化，得到土柱渗透系数。其计算公式为：
)
[ θ (h ，t + θ (h ，t ) - 2θ ] γ ν (t - t )
2
K ave = B 1 B 2 i 2 2 1 （1）
)
2[ ψ (h ，t - ψ (h ，t 2 ) - γ ν (t - 1 ] ) t
w
B
B
1
2
式中： K ave 为 t 时刻与 t 时刻的平均渗透系数； h 为任意水分传感器至土柱顶部的距离； θ (h ，t 1 )
B
B
1
2
为 h 位置处在 t 时刻的体积含水率； θ (h ，t 2 ) 为 h 位置处在 t 时刻的体积含水率； θ 为初始体
B
B
B
2
i
1
)
积含水率； γ 为土体重度； ν 为湿润锋前进速率； ψ (h ，t 为 h 位置处在 t 时刻的基质吸力；
B
w
B
1
1
ψ (h ，t 2 ) 为 h 位置处在 t 时刻的基质吸力。
B
B
2
与稳态法、瞬态剖面法等常用渗透系数测量方法相比，WFAM 适用于黏土、粉土和砂土等多种
类型土体，具有试验周期短、吸力范围广和监测面少等特点，在试验装置设计上有更大的适应性。
但该方法要求试验土体具有明确的干湿界限，试验中采用的砂质黄土满足上述要求（图 1）。
图 1 湿润锋位置

3 模型试验

3.1 试验装置 为探究水-力耦合作用对土体渗透系数的影响，自主研制了一套非饱和土渗透系数的
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