非饱和膨胀土渗透性试验技术的创新与实践：原理、装置与应用.docxVIP

非饱和膨胀土渗透性试验技术的创新与实践：原理、装置与应用

一、引言

1.1研究背景与意义

非饱和膨胀土是一种在自然环境中广泛存在的特殊土类，因其显著的吸水膨胀和失水收缩特性，在各类工程建设中频繁出现。在我国，膨胀土分布广泛，涵盖了20多个省市，像四川、湖北、陕西等地都有大量分布。在公路工程中，汉十高速公路路堑边坡就存在弱膨胀土，这给工程建设和后期运营带来了诸多挑战。在铁路建设里，部分路段穿越膨胀土区域，导致路基出现不均匀沉降、边坡失稳等病害。在水利工程中，堤坝基础若为膨胀土，会因土体的胀缩特性影响堤坝的稳定性，威胁水利设施的安全运行。由此可见，非饱和膨胀土在工程建设中极为常见，其工程特性对工程质量和安全影响深远。

非饱和膨胀土的渗透性对工程稳定性有着至关重要的影响。以边坡工程为例，降雨入渗是导致膨胀土边坡失稳的关键因素。雨水通过土体孔隙渗入边坡内部，改变了土体的含水量和孔隙水压力分布，进而降低土体抗剪强度，最终引发边坡失稳。在汉十高速公路弱膨胀土路堑边坡的研究中发现，降雨入渗使得边坡土体含水量增加，导致边坡局部滑动，严重影响公路的正常使用和行车安全。在基坑工程中，若基坑周围土体为非饱和膨胀土，地下水的渗流会引起土体的膨胀和收缩，导致基坑支护结构承受额外的压力，可能引发支护结构的变形甚至破坏。在隧道工程里，围岩的渗透性影响着地下水的渗流情况，非饱和膨胀土围岩的渗流会导致围岩的力学性质改变，增加隧道坍塌的风险。因此，准确掌握非饱和膨胀土的渗透性对于保障工程的稳定性和安全性具有重要意义。

然而，目前关于直接测量非饱和膨胀土的渗透性试验研究还相对较少，并且存在较大难度。传统的土柱渗流装置适用于孔隙较大的砂性土和右侧限的饱和土渗透系数测量，难以模拟实际工程中上覆荷载对膨胀土渗透系数的影响，也无法考虑土体膨胀变形后孔隙率减小对渗透系数的影响。在测量非饱和膨胀土的渗透系数时，由于土体中同时存在孔隙水和孔隙气，气水交界面的张力作用使得渗流情况复杂，难以准确测量。此外，现有的试验方法和装置在控制气压和水头差方面存在困难，导致测量结果的准确性和可靠性受到影响。因此，开展非饱和膨胀土渗透性试验技术的研究具有迫切的现实需求和重要的理论意义，它不仅有助于深入了解非饱和膨胀土的渗透特性，为工程设计和施工提供科学依据，还能推动岩土工程领域相关理论和技术的发展。

1.2国内外研究现状

国外对非饱和膨胀土渗透性的研究起步较早，在理论和试验技术方面取得了一定成果。Fredlund和Morgenstern提出用基质吸力（U_a-U_w）和净平均应力（\sigma-U_a）两个独立的应力状态变量来描述非饱和土的力学性状，为非饱和膨胀土渗透性研究奠定了理论基础。在试验技术方面，美国的一些研究机构开发了先进的三轴渗透仪，能够精确控制试样的应力状态和孔隙水压力，测量非饱和膨胀土在不同条件下的渗透系数。在研究非饱和膨胀土在复杂应力路径下的渗透特性时，国外学者通过改进三轴渗透仪，实现了对试样在多级加载和卸载过程中渗透系数的测量，分析了应力历史对渗透性的影响。然而，国外的研究多基于其自身的地质条件和工程背景，对于我国广泛分布的特殊成因和工程特性的膨胀土，其研究成果的适用性存在一定局限。

国内学者针对非饱和膨胀土渗透性也开展了大量研究。叶为民等借助自主研发的非饱和渗透仪，采用瞬时截面法，对汉十高速公路路堑边坡的弱膨胀土的非饱和渗透系数进行了试验研究，分析了吸力（或含水量）等影响因素对膨胀土渗透性能的影响，发现试样的非饱和渗透系数为4.5×10^{-10}～3.0×10^{-9}m/s，且非饱和渗透系数与吸力之间并非单一的增、减关系。崔颖等基于GDS非饱和土三轴试验系统，开发拓展其试验功能，研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法，同时结合电镜扫描试验，从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征，得出压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果。在成都地区非饱和膨胀土的研究中，有学者以瞬时截面法为基本试验原理，设计了专门的试验装置，对该地区非饱和膨胀土的渗透性进行研究，计算整理出土水特征曲线、渗透性-浸湿时长关系曲线等，分析得出该地区非饱和膨胀土渗透性很弱，且渗透性随浸湿时长、饱和度、基质吸力的变化关系呈非线性。

尽管国内外在非饱和膨胀土渗透性试验技术研究方面取得了一定进展，但仍存在不足。现有试验装置和方法在模拟实际工程中复杂的应力条件和边界条件方面存在欠缺，难以准确测量非饱和膨胀土在多种因素耦合作用下的渗透系数。在考虑上覆荷载、土体自重应力以及地下水渗流场的动态变化等因素时，试验结果与实际情况存在较大偏差。此外，对于非饱和膨胀土在干湿循环、冻融循环等特殊工况下的渗透性