Page 43 - 水利学报2021年第52卷第3期

测量装置如图 2 所示。该装置主要包括土柱容器，加载装置、量测系统和供（排）水系统。
土柱容器由两个 500 mm 高的亚克力空心筒组成，其内径和外径分别为 150 mm 和 160 mm。试验中
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土柱设计高度为 800 mm，土柱的纵横比大于 5，满足一维渗流要求 ［15，2］ 。土柱一侧贴有带刻度的标尺，另
一侧在距离土柱顶部高度分别为 200 mm、350 mm、500 mm和 650 mm处开孔，便于安装水分传感器。
该装置的突出特点是可以控制一维土柱渗流试验的边界条件。土柱容器顶部连接加载装置和供
水系统，分别控制轴向力和水流流量。加载装置采用气动加载，加载杆与土柱顶部的多孔铝板中心
相接触，将轴向力均匀地传递到压实土中。土柱轴向位移可由容器顶部大量程百分表确定。供水装
置与马氏瓶类似，通过为渗流试验提供恒定水头来控制渗流速度。土柱底部固定在钢制底座上，中
间有直径 10 mm 的水流通道，便于排水。当湿润峰到达土柱底部时，水分流出土柱，进入容器底部
的储水水箱。
量测系统用于测量试验过程中产生的数据，主要有以下 4 部分：（1）土柱容器顶部安装大量程百
分表，用于确定土柱加载以及湿化过程中的轴向位移；（2）土柱容器一侧的刻度尺用于记录湿润锋随
时间的变化；（3）在土柱容器开孔处安装 4 个 EC-5 水分传感器，利用已测得的传感器标定曲线，将传
感器电信号转换成相对应的体积含水率，得到各截面的含水量随时间的变化；（4）上部和下部水箱重
量变化由电子秤测量，可得入渗水量和流出水量。

图 2 水-力耦合试验装置 图 3 黄土颗粒级配曲线
3.2 试验用土 试验用土是取自陕西靖边阳城隧道的砂质黄土，利用轻型击实仪测得砂质黄土最优

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含水率为 12.5%，最大干密度为 1.81 g/cm 。试验中测得的其他基本物理性质指标如表 1 所示。采用筛
分法和密度计法测得其颗粒级配曲线如图 3 所示。经计算，该土样不均匀系数 Cu=7>5，曲率系数 Cc=
5.71，为级配不良的不均匀细粒土。

表 1 黄土基本物理性质
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颗粒比重 G s 液限 w L/% 塑限 w p/% 塑性指数 I p 天然含水量 w 0/% 最优含水率 w op/% 最大干密度γ d，max/（g·cm ）
2.7 24.0 12.8 11.2 9.5 12.5 1.81

3.3 试验方案 为探究不同初始干密度的砂质黄土在应力作用下的水-力耦合特性，试验土柱的初始

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干 密 度 分 别 设 置 为 1.40 g/cm 、 1.55 g/cm 和 1.65 g/cm 。 在 每 个 干 密 度 条 件 下 ， 分 别 为 土 柱 施 加
0 kPa、40 kPa 和 80 kPa 大小的轴向力，总共进行了 9 组试验。水-力耦合作用下非饱和土渗透函数测
量试验主要由两部分组成：（1）不同干密度黄土的土-水特征曲线（SWCC）测量试验；（2）水-力耦合作
用下土柱渗流试验。
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3.3.1 土-水特征曲线 为探究干密度分别为 1.40、1.55 和 1.65 g/cm 砂质黄土的持水特性，采用张力
计法、滤纸法和冷镜露点法三种方法进行吸力测量，可较为准确地得到全吸力范围内的土-水特征曲线。
如图 4（a）所示，采用 2100F 张力计测量低吸力范围段（0 ~ 100 kPa）的 SWCC，利用自制容器配制

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