在渗流条件下，黄土、古土壤及其接触带的饱和水力传导率与微观结构特性的变化

《CATENA》：Variations in saturated hydraulic conductivity and microstructural characteristics of loess, paleosol, and their contact zone under seepage conditions

本研究通过恒定水头饱和渗透试验，探讨不同液压梯度（i）和入渗时间（t）下，黄土、棕壤及界面黄土的渗透系数（Ksat）变化规律。结果表明：界面黄土Ksat介于单层黄土与棕壤之间，松散结构下尤为显著；i和t对土壤微结构影响不同，界面效应下孔隙含量变化更明显。为黄土区防渗设计与填筑质量控制提供理论依据。

　　

高朝阳|霍然|徐玲|王玉迪

中国吉林省东北电力大学土木工程与建筑学院，邮编132012

摘要

黄土和古土壤的沉积模式受到不同气候条件的影响，形成了一个被称为“界面黄土”的独特接触带。尽管黄土的饱和渗透性已经得到了一定程度的研究，但古土壤和界面黄土的渗透特性仍缺乏足够的记录。本研究通过恒水头饱和渗透试验，探讨了这些土壤的饱和水力传导系数（K_sat）如何随着水力梯度（i）和渗透时间（t）的变化而变化。为了明确界面效应，测试了具有不同初始干密度的复原样品。结果表明，界面黄土的K_sat值介于单层黄土和古土壤之间，尤其是在结构较为松散的样品中。值得注意的是，K_sat值会根据土壤类型和初始密度波动——在8天的渗流期后尤为明显。使用扫描电子显微镜（SEM）和汞侵入孔隙度法（MIP）进行的微观分析显示，i和t对这两种土壤的微观结构产生了不同的影响。这些发现为黄土地区的防渗设计和填筑质量控制等工程应用提供了重要的理论支持。

符号说明

符号说明

it渗流时间

C_u	均匀系数
	曲率系数
	最大干密度
	最优含水量
	塑性限
	液限
水力梯度
含水梯度（i）下的饱和水力传导系数（cm/s）
	渗流时间（t）下的饱和水力传导系数

材料

黄土和古土壤以交错的方式沉积。本研究分析的土壤样本取自陕西省西安市马兰（Q3）黄土层，位于中国黄土高原的南部边缘（见图1）。为了减少植物根系和人为活动对土壤性质的影响，样本采集自地表以下约3米的深度。黄土具有松散多孔的结构，颜色较浅

样品制备

准备了三种类型的复原土壤样品：黄土（L）、古土壤（P）和层状L-P复合材料。黄土和古土壤样本采集自地面以上3米处，并在实验室中分别调整为初始含水量17%和18%。样品使用湿压法在直径61.8毫米、高度40毫米的压环内进行压实，达到目标干密度，范围为1.3至1.7克/立方厘米

饱和水力传导系数的变化

图6展示了单层黄土（L）、古土壤（P）和界面黄土（L-P）样品的饱和水力传导系数（K_sat,i）随水力梯度（i）增加的变化情况。在每个干密度（ρ_d）水平下，P样品的K_sat,i值均高于L-P样品，而L-P样品的值又高于L样品的值。随着i的增加，单层黄土和界面黄土的K_sat,i值最初会上升，随后达到一个稳定平台。

讨论

本研究在控制的干密度（ρ_d）条件下进行了饱和渗透试验，发现相同干密度（ρ_d）下，古土壤的K_sat显著高于黄土。这一发现与Hou等人（2021年）的结论相反，他们认为“天然古土壤层的K_sat低于黄土”，这突显了自然土壤形成过程与人工压实过程在渗透特性上的根本差异。需要进一步标准化压实方法

结论

本研究主要通过饱和渗透试验，详细研究了黄土、古土壤和界面黄土的饱和水力传导系数（K_sat）随水力梯度（i）和时间（t）变化的情况。随后，利用汞侵入孔隙度法（MIP）和扫描电子显微镜（SEM）分析了这些土壤的微观结构变化。主要结论如下：

• 1. 不同时间下的水力传导特性存在差异

作者贡献声明

高朝阳：撰写——原始稿件、方法论。 霍然：撰写——审稿与编辑、调查、数据管理。 徐玲：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构建。 王玉迪：验证、调查、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（42402268）的资助。同时，衷心感谢编辑和所有审稿人的建设性意见，这些意见有助于提升论文的质量。