本文是一篇土木工程论文，本文通过模型分析，在变形对非饱和黄土的土水特征与渗透系数影响方面做了进一步的工作。研究结果可加深黄土非饱和特性的认识，为非饱和黄土的渗流以及力水耦合模型等研究提供更加准确可靠的理论模型，对应用非饱和土力学解决黄土地区的工程与环境问题有重要意义。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
黄土是第四纪的风成沉积物，颗粒组成以粒径0.005~0.075 mm的粉粒为主，占比超过60%，并且土体多含孔径1.00 mm左右的肉眼可见大孔隙[1,2]。黄土分布广泛，在南北半球中纬度的干旱和半干旱地区均有分布[3]，最新的资料调查[4]估计全球黄土分布面积为860万km2，约占陆地总面积的6%，我国分布63.5万km2，占国土面积的6.3%。黄土厚度在几十至300米之间，除了西伯利亚东北部和阿拉斯加北部的少部分冻土外，黄土通常位于地下水位以上[5,6]。
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从古代黄土高原居民凿洞而居，到如今推进城镇化建设、提高西部大开发建设可持续发展，黄土地区的建设开发一直面临着严峻的挑战。降雨与干旱气候变化或人类活动（如灌溉和开采地下水资源等）诱发的滑坡、泥石流、边坡失稳和地基塌陷等地质灾害和工程问题的频发不容忽视。黄土地区多属干旱或半干旱气候，蒸发量大而降水量少，且沉积厚度大，地下水位深，因此黄土是典型的非饱和土。但因为非饱和黄土性质的复杂性，以及饱和土力学研究在岩土工程实践中的成功运用，长期以来黄土地区的岩土工程一直依据经典饱和土力学理论设计，工程与环境问题也由此理论寻找解决方法。实际上由于非饱和黄土中引入了气相，孔隙气与孔隙水的相对含量变化会使土中吸力随之改变，进而影响强度、变形和渗透等工程特性[7]，故而研究重点集中在饱和土与干砂的饱和土力学[8]相关原理和概念不完全适用于黄土，以饱和土力学为理论基础的“近似设计”理念偏于保守，也无法很好地解释黄土的许多非饱和特性。因此非饱和黄土的岩土工程实践与理论均要求进一步发展黄土的非饱和特性研究，充分揭示非饱和土特性与水气两相运移规律是其中的关键[9]。
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1.2 研究现状
1.2.1 土水特征研究现状
（1）土水特征曲线
非饱和土是固液气三相共存系统，气液两相含量变化及相界面处的相互作用造就了非饱和土复杂的力水耦合特性。土水特征曲线（SWCC）定义了土中水的能量与数量之间的关系，是定量分析气液两相比例变化以及相界面作用的基本工具。图1.3是典型的SWCC，包含了吸湿（虚线）与脱湿（实线）过程两条曲线，以脱湿过程为例，在半对数坐标中体积含水率θ随吸力ψ增加沿一条“S”形态曲线路径减小。
理想状态的土水特征关系是吸力与孔隙水含量之间关系唯一，即研究土体的每一个吸力值对应唯一的孔隙水含量，然而试验结果[21,22]表明土水特征存在滞后效应，即吸湿与脱湿过程的SWCC并不重合，在同一孔隙水含量条件下，吸湿过程土体的吸力明显较脱湿过程小，表明土水特征严重依赖于孔隙水变化的过程或历史[23]。穆青翼等[24]对比研究了原状和压实黄土的土水特征以及微观结构，发现黄土的结构性对滞后效应也有影响，低吸力范围内原状黄土SWCC的滞后度较压实黄土大，而在中间吸力范围内较小。
（2）吸力的试验量测
土水特征描述的是吸力与孔隙水含量之间的函数关系，吸力的量测是土水特征试验的主要任务。吸力的常见量测技术包括张力计法、轴平移技术、传感器法和滤纸法等[10]，不同技术的精度与量测范围均有较大不同。
张力计主要由高进气值陶瓷材料制造的探头与孔隙水压量测装置组成。非饱和土通过陶瓷探头与张力计系统连接，水在势能梯度的驱动作用下运移，直至量测系统与非饱和土的水势平衡，此时由量测装置所测定的负孔隙水压即为非饱和土的吸力。张力计由于其结构简单、操作简便获得了广泛应用，非饱和土边坡降雨模拟试验过程中常使用张力计进行吸力原位监测[25]；侯晓坤等[26]在室内采用张力计法测定甘肃原状黄土的SWCC；李萍等[27]使用张力计测定原状黄土的SWCC，并应用到了渗透系数的预测之中。
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第二章 非饱和土的渗流及渗透系数测定方法
2.1 土体中的水
2.1.1 土中水的形态
土中水的状态与所处环境有关，可以是固态、液态或气态。对于本文所研究的不涉及冻土等特殊情况的土体，土中水主要指液态水，其与土颗粒的相互作用对土体性质影响很大。
吸附作用主要指静电力与分子间作用力，发生在土颗粒和水交界面附近，由Kelvin方程控制[80]，吸附水即指土颗粒表面受吸附作用的水，其作用力高达数千至数万个大气压，结合紧密。受吸附力影响，吸附水性质与自由水不同，密度ρw、孔隙水压uw等均随水分子距离土颗粒表面距离减小而大幅升高。根据吸附力强弱（受水分子与颗粒表面距离控制）可将吸附水进一步分为强吸附水和弱吸附水，强吸附水紧贴土粒表面，性质与固体类似，弱吸附水是强吸附水外层的吸附水膜，可以缓慢运移，水膜厚度是影响黏性土性质的重要因素。
毛细作用发生在孔隙气和水的交界面，是气水两相交界面的表面张力作用，一般由Young-Laplace方程描述，作用力大小与孔隙管径有关。实际的土体中并无等径的毛细管存在，可将其孔隙通道简化为不同管径的毛细管束分析，此时毛细作用的强弱取决于土体整体的颗粒级配或孔径分布。
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2.2 非饱和黄土的土水特征
由试验结果可知，主吸湿路径中随着吸力的减小，土体含水量逐渐增加至饱和；主脱湿路径中随着吸力的增大，含水量由饱和含水量逐渐减小。很明显地，黄土在同一吸力值条件下，吸湿与脱湿两个主路径土体所吸附的水分含量并不相同，主脱湿路径的含水量总是高于主吸湿路径，或者说同样的含水量，主脱湿路径的吸力总是较主吸湿路径大。以初始孔隙比e0为1.00试样为例，在质量含水率w为22%时，主吸湿路径的吸力ψ为26.4 kPa，而主脱湿路径为48.6 kPa，相差22.2 kPa，差值占到了较小值（吸湿）的84.1%。表明黄土的土水特征存在滞后效应，吸力与含水量关系与孔隙水变化的过程或历史有关。其内在机理[22]一般用“瓶颈效应”（孔径分布不均匀的几何效应）与“接触效应”（吸湿与脱湿路径中固液交界面上的接触角不同）等理论解释，也有学者提出表面吸附与空化作用、颗粒表面及矿物层间阳离子水和作用等理论[23]对滞后机制进行补充。
主吸湿路径试样无明显变形，测得初始含水量逐级增湿至饱和过程中孔隙比的最大变化量（e0=1.00试样）不超过初始值的0.5%。这与黄土试样中黏粒含量较低有关，由3.1.1节可知，粒径小于0.005 mm的颗粒含量不超过7%，以蒙脱石为代表的黏粒含量少导致试样无较明显的膨胀变形。主脱湿路径试验随着含水量的降低，土体孔隙比逐渐减小，e0=1.00试样可以观察到近饱和的初始段曲线与饱和线平行，该平行段土体孔隙缩小体积与水分排出体积相同，孔隙中无空气进入，之后空气涌入孔隙，气相的参与使得土体体积缩小与水分排出不同步，孔隙比的缩小曲线逐渐远离饱和线，最终在接近干燥状态时趋于稳定，达到最小孔隙比。由于试验用黄土的颗粒分布主要集中在粉粒与砂粒范围，这样的粒径分布导致孔隙的孔径较大且分布均匀，由Young-Laplace方程可知气体进入孔隙的吸力阈值较低，故而e0=1.00试样饱和线的平行段较为短暂，其余试样初始孔隙比e0较小，整体的孔隙比变化量Δe小，饱和线平行段更不明显。
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第三章 非饱和黄土的土水特征与渗透系数试验研究 ...................... 23
3.1 试验方案与方法 ........................... 23
3.1.1 试验用土与制样 ............................... 23
3.1.2 土水特征试验 .................. 25
第四章 考虑变形的土水特征曲面与渗透系数预测模型 .................. 43
4.1 土水特征曲面及其投影特性 ................................ 43
4.2 考虑变形的土水特征曲面模型 .................................... 45
第五章 土体变形对土水特征与渗透系数的影响 .............................. 58
5.1 吸力引起变形对土水特征与渗透系数的影响 ............................. 58
5.1.1 吸力引起变形对土水特征参数与滞后效应的影响 ............................ 58
5.1.2 吸力引起变形对非饱和渗透系数的影响 .......................... 61
第五章 土体变形对土水特征与渗透系数的影响
5.1 吸力引起变形对土水特征与渗透系数的影响
5.1.1 吸力引起变形对土水特征参数与滞后效应的影响
（1）土水特征参数的确定方法
土水特征一般以曲线（SWCC）或曲面（SWCS）的图像形式展示，不便于定量分析，拟合模型参数又缺乏明确准确的物理定义，因此选取其图像上数个特征点（如SWCC的弯曲点与反弯点）以及特征点的对应坐标以描述土水特征，特征点坐标称为特征参数。
整个吸力范围内的SWCC可划分为三个区域：边界效应区、过渡区与残余区[106]，其分界点是曲线上两个弯曲特征点[107]，分别称为进气点与残余点。特征点的坐标值即为特征参数，对于吸力有进气吸力值ψa与残余吸力值ψr，其中ψa是脱湿路径中空气进入孔隙，使土中重力水开始排出时的吸力值；ψr是残余吸力值，与残余含水量wr对应，此时开始需要较大的吸力才能使孔隙水含量发生改变。
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第六章 结论与展望
6.1 主要结论
本文在前人已有土水特征与非饱和渗透系数研究的基础上，选择黄土这种典型的非饱和土作为研究对象，以室内试验结果为基础，建立了考虑变形的土水特征曲面模型和非饱和渗透系数预测模型。并通过模型分析，在变形对非饱和黄土的土水特征与渗透系数影响方面做了进一步的工作。研究结果可加深黄土非饱和特性的认识，为非饱和黄土的渗流以及力水耦合模型等研究提供更加准确可靠的理论模型，对应用非饱和土力学解决黄土地区的工程与环境问题有重要意义。取得的主要成果如下：
（1）开展了一系列试验，包括吸湿与脱湿两个主路径的土水特征试验、饱和与非饱和渗透系数试验，以及侧限压缩试验。其中非饱和渗透系数通过设计一维水平土柱入渗试验测得水分剖面，使用改进的Boltzmann变换求解水分扩散系数得到。改进方法利用非线性函数拟合入渗试验所得的原始数据，从而获得水分扩散系数的解析表达，并与土水特征模型结合，得到非饱和渗透系数函数的解析表达式。改进方法克服了传统Boltzmann变换法结果不稳定的缺陷。
（2）提出了一种新的建立土水特征曲面（SWCS）模型的思路与方法，该方法首先建立恒定吸力条件下含水量随孔隙比的变化关系，再将吸力的影响引入其中。基于吸湿脱湿过程中水的体积和土体总体积变化存在线性关系的假设，构建了吸力-含水量-孔隙比空间内非饱和黄土的SWCS模型。黄土的试验结果验证了模型理论假设的有效性，模型再现数据与实测数据的对比表明，该模型能够很好地描述或者预测不同初始孔隙比黄土吸湿与脱湿过程中含水量随孔隙比和吸力的变化规律。
（3）建立了考虑变形的非饱和黄土渗透系数间接预测模型。该模型在已有不考虑变形的F-X-H预测模型基础上同时考虑饱和渗透系数与相对渗透系数的变形修正得到，最终建立了非饱和黄土的渗透系数随孔隙比和吸力（或含水量）的变化关系。黄土的非饱和渗透系数试验结果验证了该模型的预测效果和可靠性，模型参数均可由土水特征模型与饱和渗透系数随孔隙比的变化规律得到，实现了考虑土体变形的非饱和渗透系数函数的预测功能。
参考文献（略）