劉志彬，方 偉，陳志龍

(東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京210096)

0 引言

由于土體結(jié)構(gòu)的空間變異性及各向異性，水分與溶質(zhì)在土中的流動(dòng)和運(yùn)移呈現(xiàn)非均勻性特點(diǎn).近年來(lái)，利用示蹤技術(shù)對(duì)該過(guò)程開展的可視化研究日益增多，例如染色示蹤法在土壤優(yōu)勢(shì)流描述、非均勻流動(dòng)尺度特性、溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律研究等方面得到了較好的應(yīng)用［1-3］.另一方面，土的電阻率是其溫度、含水率、孔隙液電導(dǎo)率、孔隙比、顆粒定向性等的綜合指標(biāo)［4-5］.許多學(xué)者對(duì)電阻率指標(biāo)與土的工程性質(zhì)間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究［6-7］.而孔隙水是影響其導(dǎo)電性最顯著的因素，因此通過(guò)測(cè)試土體的電阻率指標(biāo)可對(duì)水分入滲過(guò)程進(jìn)行快速監(jiān)測(cè).

眾所周知，水分入滲對(duì)于黃土的工程行為具有重要影響.在干燥狀態(tài)下，黃土具有較高的強(qiáng)度因而能承受較大荷載.然而，當(dāng)水分滲入黃土中，在荷載作用下顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度一旦破壞，極易產(chǎn)生較大沉降變形［8］.因此，描述和研究水分自土體表面向下入滲過(guò)程對(duì)于深入了解黃土工程行為具有重要的科學(xué)意義.筆者利用電阻率與染色示蹤技術(shù)相結(jié)合的方法開展天然黃土及人工重塑壓實(shí)黃土的室內(nèi)淋漓試驗(yàn).另外，以往研究文獻(xiàn)中，大多都是在示蹤劑溶液入滲后對(duì)土體豎向剖面進(jìn)行形態(tài)分析，筆者則針對(duì)不同深度水平剖面上的染色區(qū)形態(tài)進(jìn)行探討.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

本研究所用黃土取自西安乾景花園，取土深度為4.5～5.0 m.該黃土形成于Q3時(shí)期，黃褐色，硬塑狀態(tài)，針狀大孔隙發(fā)育如圖1所示.該土屬低液限黏土.為了對(duì)比分析，試驗(yàn)采用兩種不同類型的土樣:天然黃土(NL)和重塑黃土(RL).天然黃土樣試驗(yàn)所用土柱由現(xiàn)場(chǎng)原狀土直接切削而成.將樣品切削后的余料迅速揉碎，再用靜壓法壓制成和天然黃土樣密度相等的重塑土樣，該黃土的基本物理性質(zhì)如表1所示.試驗(yàn)過(guò)程中稱取少量的亮藍(lán)與蒸餾水配制成一定濃度的染色溶液.當(dāng)亮藍(lán)溶液在黏性土中入滲時(shí)，黏土顆粒表面會(huì)附著藍(lán)色的染色劑，從而將溶液的入滲途徑標(biāo)識(shí)出來(lái)，為圖像分析提供了便利.試驗(yàn)中土樣的電阻率測(cè)試采用東南大學(xué)巖土所研制的ESEU-1型低頻交流電阻率測(cè)試儀［9］.

1.2 試驗(yàn)步驟

在天然及重塑黃土土柱的上表面均勻滴灑預(yù)先配制的恒定濃度的亮藍(lán)溶液，直至特定量的所有染色劑溶液全部滲入土中，試驗(yàn)中控制染色劑的用量為0.24 mL/cm3.在溶液入滲過(guò)程中，按一定時(shí)間間隔測(cè)量整個(gè)土樣的電阻率.電阻率測(cè)試采用兩電極法，即在土柱的上下兩端施加測(cè)試電極，在電極片上方施加3 kPa的接觸壓力，保證電極片與土樣間的充分接觸.試驗(yàn)中控制溶液的用量一定，沒有從土樣底端滲出.淋漓試驗(yàn)結(jié)束后將柱狀土樣沿深度方向每隔5 mm切開，觀察亮藍(lán)在土樣剖面上的分布，采用數(shù)碼相機(jī)拍照用于圖像分析.需指出的是，由于水分在土柱中的入滲過(guò)程是非均勻的，因此實(shí)測(cè)電阻率為整個(gè)土樣的等效電阻率.

圖1 天然黃土中的大孔隙結(jié)構(gòu)Fig.1 Macropores in natural loess

表1 天然黃土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of the natural loess

表2 兩種黃土土柱基本情況Tab.2 Basic conditions of two types of loess column

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水分入滲過(guò)程電阻率描述

以NL01土樣為例嘗試?yán)秒娮杪始夹g(shù)追蹤水分入滲過(guò)程.水分自土柱表面入滲開始后，土樣側(cè)壁很容易觀察到水分運(yùn)移的前緣或稱濕潤(rùn)前鋒，如圖2所示.濕潤(rùn)前鋒隨時(shí)間前進(jìn)的距離如圖3所示.隨著入滲過(guò)程的發(fā)展，土樣的濕潤(rùn)段長(zhǎng)度基本上線性增大，滲試驗(yàn)開始70 min后，濕潤(rùn)前鋒到達(dá)土樣底端，濕潤(rùn)段長(zhǎng)度即保持不變.然而溶液入滲過(guò)程中，土柱的等效電阻率并非線性降低，基本上可分為三個(gè)階段.在初始階段0～30 min，溶液滲入土中后被土樣迅速吸收，因而電阻率快速降低.在第二階段30～66 min，土樣的等效電阻率雖然繼續(xù)降低，但降低速率變緩，最后一個(gè)階段66 min以后，溶液入滲的前緣到達(dá)土樣底端，土樣中開始形成良好的導(dǎo)電途徑，土樣的導(dǎo)電性再次明顯改善，因而電阻率出現(xiàn)第二次快速降低，此外，雖然濕潤(rùn)前緣已經(jīng)抵達(dá)土樣底端，但土樣的等效電阻率仍在快速降低，這也說(shuō)明電阻率參數(shù)反映出了土樣內(nèi)部水分的繼續(xù)運(yùn)移和發(fā)展過(guò)程.基于以上分析，說(shuō)明利用電阻率法描述水分在土中的入滲和運(yùn)移過(guò)程是可行的.

不同土柱染色示蹤溶液入滲試驗(yàn)過(guò)程中土樣電阻率隨入滲時(shí)間變化曲線如圖4所示.從圖中可以看出，天然黃土電阻率隨時(shí)間降低曲線的斜率較重塑土更大.分析認(rèn)為，這是由于兩種類型土樣的結(jié)構(gòu)性差異造成的.由于結(jié)構(gòu)性遭到破壞，重塑黃土較天然黃土更加均質(zhì)，因此水分在同一斷面上的入滲和運(yùn)移較天然黃土更加均勻.而天然黃土的結(jié)構(gòu)性使其土樣具有典型的非均質(zhì)性，內(nèi)部的大孔隙結(jié)構(gòu)都是其水分運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道，因此水分表現(xiàn)出更好的滲透運(yùn)移能力，相同入滲時(shí)間里，天然黃土的電阻率降低程度較重塑土也就更加明顯.

圖2 水分入滲過(guò)程的濕潤(rùn)前鋒Fig.2 Front wetting edge of moisture infiltration

2.2 橫斷面染色示蹤分析

為了進(jìn)一步描述天然黃土與重塑黃土之間的結(jié)構(gòu)性差異，對(duì)淋漓入滲試驗(yàn)結(jié)束后土樣不同深度斷面進(jìn)行照相，并將圖像二值化處理，部分結(jié)果如表3所示.表中每一土樣最右側(cè)染色圖像表示染色劑溶液所能到達(dá)的最深斷面.染色劑分子在黏性土中會(huì)被吸附在土顆粒表面，因此，在染色劑用量一定的情況下，土樣中只有一定深度范圍內(nèi)的剖面會(huì)被染色.從表中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定入滲量的染色溶液，染色劑在天然黃土中入滲到達(dá)的位置比在重塑黃土中更深.天然土中被亮藍(lán)染色的剖面的最深位置約為自頂面起19～33 mm處，但對(duì)于重塑土染色剖面最深處一般在15～20 mm處，說(shuō)明染色劑溶液在天然黃土中的下滲能力優(yōu)于重塑黃土.

橫剖面上染色區(qū)域面積與整個(gè)土樣橫截面面積的比值或稱染色區(qū)面積比沿深度方向變化曲線如圖5所示.由于入滲到下部的水分越來(lái)越少，因而染色區(qū)面積比隨深度降低.由于土柱上表面處全斷面通過(guò)染色劑溶液，因此染色區(qū)面積比為1.而溶液入滲所能到達(dá)的最深處沒有被染色，因此染色區(qū)面積比為0.從圖5可以看出，一般來(lái)說(shuō)天然土樣中染色劑能到達(dá)的深度較重塑土更大，因此天然黃土中染色區(qū)面積比隨深度降低的程度較重塑土小.

另一方面，從表3中還可以看出，同一深度橫剖面上染色區(qū)幾何形狀重塑黃土比天然黃土更加規(guī)則和完整.由于天然結(jié)構(gòu)性土中存在許多大直徑針狀孔隙，使得水溶液在入滲過(guò)程中優(yōu)先選擇這樣的孔隙通道運(yùn)移.這些優(yōu)勢(shì)路徑并非均勻分布，這就造成了天然黃土橫剖面上染色區(qū)的不規(guī)則形狀，在較深位置處尤其如此.而重塑黃土中，同一斷面上孔隙分布比較均勻，因此染色劑溶液通過(guò)同一斷面不同點(diǎn)的幾率差不多，染色區(qū)域的幾何形狀就比較完整.

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)染色區(qū)的不規(guī)則性，筆者采用分形幾何方法中的計(jì)盒維數(shù)對(duì)染色區(qū)邊界形狀的不規(guī)則性進(jìn)行定量分析［10］，結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出，隨著深度的增加，對(duì)于重塑黃土來(lái)說(shuō)，其染色區(qū)邊界的計(jì)盒維數(shù)隨著深度的增大而單調(diào)增大.對(duì)于天然結(jié)構(gòu)性黃土，其染色區(qū)邊界的計(jì)盒維數(shù)隨著深度的增加先增大后減小.分析認(rèn)為，越深的剖面上染色區(qū)域的幾何形狀越能體現(xiàn)入滲通道的非均質(zhì)性，因此染色區(qū)邊界的分維值越高.但天然黃土中當(dāng)溶液入滲超過(guò)一定深度后，優(yōu)勢(shì)流僅局限在一個(gè)較小的范圍，因此染色區(qū)邊界幾何形狀趨于簡(jiǎn)單化，其分形維數(shù)有所減小.對(duì)于重塑黃土，與天然結(jié)構(gòu)性黃土中的入滲過(guò)程有所不同，越深處染色劑溶液入滲過(guò)程的優(yōu)勢(shì)流現(xiàn)象或不均勻性越明顯，越靠近淺部染色區(qū)在斷面上的發(fā)育程度越完善，渾圓度越高，分維值自然也越小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，其入滲前鋒處的染色區(qū)幾何形狀最不規(guī)則.

圖6 不同橫剖面上染色區(qū)邊界分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of the stained area boundary at different cross-section

3 結(jié)論

(1)隨著水分的滲入，土樣的電阻率不斷降低，其降低過(guò)程表現(xiàn)出一定的階段性，且在重塑土中更加明顯.

(2)由于大孔隙結(jié)構(gòu)的存在，水分及溶質(zhì)在天然黃土中的入滲運(yùn)移能力較重塑土更高，因此相同入滲時(shí)間里，天然黃土的電阻率降低程度高.在總量一定的條件下，染色劑溶液在天然黃土中可以到達(dá)較重塑黃土更深的位置.此外，天然黃土中染色區(qū)面積比隨深度降低的程度較重塑土小.

(3)在水分入滲過(guò)程中，在天然黃土中水分有優(yōu)先選擇大孔隙通過(guò)的特點(diǎn)，因而其染色區(qū)域表現(xiàn)為典型的不規(guī)則形狀，而重塑土中此現(xiàn)象不明顯.染色區(qū)邊界分形維數(shù)在重塑黃土中隨深度單調(diào)增大，而在天然黃土中則是先增大后減小.

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