湿陷性黄土水分场分析

胡欣

摘要：根据设计勘察资料，路基土确定为黄土状粉土，属晚更新世马兰黄土和全新世黄土。根据文献调研，以该类黄土的颗粒级配为基础，通过黄土的粒径数据估计出黄土的单位体积含水量的函数；再根据Van Genuchten估算方法，以黄土单位体积含水量函数去估计黄土的透水性函数。选择黄土的材料模型为饱和/非饱和模型，通过研究土体内含水量和孔隙水压力的变化，计算分析降雨前后水分的入滲情况。

关键词：黄土 颗粒级配 体积含水量 透水性函数 孔隙水压力 入渗

一、数值模型的确定

根据宁夏湿陷性黄土路基模型确定模型尺寸为：路基宽度24.5m，路基高度8m，填方边坡1：1.5。由于路基模型的对称型，取一半的路基来作分析。黄土的地下水位一般较深，离边坡底面取1m的深度，方向为水平方向；因地下水位较深，两侧边界按零流量边界计算；边坡顶面为入渗边界，表达降雨入渗的作用方式；坡底为不透水边界，其单元流量设置为零。在考虑计算精度和求解工作量的情况下，选择四边形和三角形网格相结合进行网格划分工作，网格间距0.5m。

采用瞬态渗流分析，降雨持续时间为一天。以指数增长的方式将一天来划分为多个时间段，通过确定合适的步数，以步数为卡尺，累计并保存不同时期的数据。以便观察在一天的不同时间段下黄土路基的降雨入渗规律。即观察降雨时间取值分别为0s、36s、278s、1904s、12840s、86400s。根据我国对雨型的衡量标准，考虑在降雨强度分为大、中、小三种条件下，分析路基的渗流变化情况。大雨、中雨、小雨的降雨强度具体取值为：5mm/d、20mm/d、35mm/d。数值模拟中重要黄土参数如下：

二、数值模拟结果

（1）降雨前水分分布及孔隙水压力分布

图1.1 初始状态下体积含水量分布 图1.2 初始状态下孔隙水压力分布

（2）降雨后水分分布及孔隙水压力分布（小雨）

图2.1降雨24小时后体积含水量分布图 2.2降雨24小时后孔隙水压力分布

为了减少篇幅，其他降雨强度下的模拟结果直接在后面的分析中展示。

三、结论分析

（1）降雨前后总体分析

1）初始条件下分析

图1.1和1.2是在只有初始地下水位的条件下，经过稳态分析得出了坡体孔隙水压力及体积含水率的分布情况。初始条件下，上部土体体积含水率较小，为0.06。而负的孔隙水压力达到了-65kPa。由坡顶至模型底部，含水率的变化是逐渐增大，而负孔隙水压力是逐渐减小的。

2）降雨后分析含水量

图2.1是降雨强度为小雨的情况下，降雨时间24h的路基体积含水率的分布图。在初始水位条件下，路基内体积含水率的分布自上而下逐渐减增加。水位以下土体处于饱和状态，含水率达到0.26，而水位以上土体则处于非饱和状态，坡顶处含水率最小，为0.06。降雨持续24h时，坡顶出土体含水率增加较快，达到了 0.1。并且降雨后土体中各层含水量上升。降雨后，土体上层含水量增加较为明显，土体下层饱和区域不断扩大。

3）降雨后分析孔隙水压力

图2.2是降雨强度为小雨的情况下，降雨时间24h的路基内孔隙水压力的分布图。由图2.2可以看出，靠近坡顶处孔隙水压力较大。这是因为随着降雨的进行坡体含水率由深度方向逐渐增加。含水率的增加导致了负孔隙水压力减小。没有降雨（初始条件下），最大负孔隙水压力存在于坡顶，其值为-65kPa，降小雨、中雨、大雨一天坡顶处负最大孔隙水压力分别降为-25kPa、-20kPa、-15kPa，说明随着降雨强度的增加，最大负孔隙水压力有减少的规律。大雨的情况下负的孔隙水压力减小较快，幅度较大，小雨情况下则减小较慢，幅度较小。而入渗边界孔隙水压分布密集，变化较大则是由于雨水未能及时入渗至下部土体。说明浅层土体含水率及负孔隙水压力的迅速减小也是导致黄土经常发生浅层溜坍的原因。

由以上分析可知，黄土的土水特征曲线和渗透函数曲线是研究黄土路基内水分场分布的两个重要的基础，通过合理的设置，在数值模拟中可以反应出孔隙水压力和含水量在路基土体内各个区域的分布与发展情况，可以间接地表达出土体中的基质吸力的变化情况。研究表明：负的孔隙水压对基质吸力是起贡献作用的，而基质吸力与含水率是成反比的（由土—水特征曲线可知）。从而可以推断负孔隙水压力的减小是因为体积含水率的增大而致。

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