基于土水特征曲线（SWCC）的可持续堤坝材料工程特性评估与优化

《Heliyon》：Evaluating the engineering properties of sustainable embankment materials using soil water characteristics curve

为解决Guacha灌溉排水项目堤坝建设中优质填料远距离运输成本高昂的问题，研究人员开展了基于土水特征曲线（SWCC）的堤坝材料工程特性研究。通过将当地高塑性黏土（CH）与粉土（ML）按不同比例混合，发现60%黏土与40%粉土的混合料（C-3）在非饱和抗剪强度、渗透性及体积变化特性上均与推荐材料高度吻合，且成本降低67%，为可持续工程建设提供了经济有效的解决方案。

　　

在干旱和半干旱地区，地下水位通常远低于地表，使得浅层土壤大多处于非饱和状态。然而，传统的饱和土力学理论难以完全应对非饱和土带来的独特挑战。在土木工程实践中，压实后的非饱和土被广泛应用于路堤、挡土墙回填、水力屏障以及土石坝等结构中。利用当地易得的材料进行建设，不仅能显著降低工程成本，还能减少对环境的影响，是实现可持续工程的重要途径。

在埃塞俄比亚的Guacha灌溉排水项目中，堤坝建设需要大量的优质填料。然而，符合设计规范的材料产地距离项目区较远，长距离运输不仅成本高昂，也不符合可持续发展的理念。与此同时，项目区附近虽然存在大量的红黏土和粉土，但这些材料单独使用时存在明显缺陷：高塑性的红黏土（CH）在温度变化下容易开裂，影响结构安全；而粉土（ML）则因黏聚力不足，缺乏必要的结构稳定性。因此，如何通过科学配比，将这两种“问题”材料转化为满足工程要求的优质堤坝填料，成为了一个亟待解决的关键问题。

为了回答这一问题，来自贡德尔大学的研究人员Habtamu Sewnet Alehgn在《Heliyon》期刊上发表了题为“Evaluating the engineering properties of sustainable embankment materials using soil water characteristics curve”的研究论文。该研究旨在通过土水特征曲线（SWCC）这一核心工具，系统评估并优化当地黏土与粉土混合料的工程特性，为堤坝建设提供一种经济、可持续的解决方案。

研究方法概述

研究人员从项目区采集了高塑性红黏土（CH）和低塑性粉土（ML）两种代表性土样。通过大量室内配比试验，制备了五种不同比例的混合料（C-1至C-5），其中C-3为60%黏土与40%粉土的混合料。研究采用压力板仪（Pressure Plate Apparatus）测定不同基质吸力下的土水特征曲线（SWCC），并利用Fredlund & Xing (1994)和Van Genutchen (1980)模型对曲线进行拟合。基于SWCC参数和土体基本指标，进一步预测了非饱和土体的渗透系数和抗剪强度，并与推荐材料进行了对比分析。

研究结果

1. 土水特征曲线（SWCC）拟合参数分析

研究利用Fredlund & Xing (1994)模型对SWCC进行了拟合，获得了表征土体持水特性的关键参数。其中，参数a_f与土体的进气值相关，a_f值越大，表明土体抵抗空气进入的能力越强，孔隙结构越致密。研究结果显示，1D黏土的a_f值（89.8 kPa）远高于Shini-1粉土（30.31 kPa），说明黏土具有更致密的孔隙结构。参数n_f反映了土体孔隙分布的均匀性，n_f值越大，孔隙分布越均匀。1D黏土的n_f值（2.7）同样高于粉土（0.74），表明其孔隙分布更为均匀。参数m_f则控制了SWCC在高吸力段的斜率，m_f值越小，曲线在高吸力段越陡峭。研究还发现，混合料C-3的SWCC拟合参数与推荐材料高度接近，表明其持水特性相似。

2. 土体体积变化特性

土体在吸力变化过程中是否发生显著体积变化，是决定其工程行为的关键因素。研究通过分析吸力与孔隙比的关系曲线发现，混合料C-1和C-3在吸力变化过程中的体积变化率分别仅为4%和2%，属于微小的体积变化。这一结果表明，对于这类体积变化不显著的土体，其工程行为主要受含水率控制，而非孔隙比的变化。因此，在研究其非饱和特性时，采用基于含水率的SWCC是合理且有效的。

3. 非饱和抗剪强度预测

非饱和土的抗剪强度是决定堤坝稳定性的核心指标。研究采用Fredlund et al. (1996)提出的模型，结合SWCC和饱和抗剪强度参数，预测了不同基质吸力下土体的非饱和抗剪强度。结果显示，随着基质吸力的增加，所有土样的抗剪强度均显著提高。例如，对于推荐材料，当基质吸力从33 kPa增加到1400 kPa时，其抗剪强度从42.39 kPa增加到144.41 kPa。特别值得注意的是，混合料C-3在1400 kPa吸力下的抗剪强度为145.82 kPa，与推荐材料的144.41 kPa几乎完全一致，表明C-3混合料在强度性能上完全能够替代推荐材料。

4. 非饱和渗透性预测

渗透性是影响堤坝渗流和排水性能的关键参数。研究利用Van Genutchen (1980)模型，基于SWCC预测了土体的非饱和渗透系数。结果显示，1D黏土的饱和渗透系数（K_s）为6×10^-7m/s，属于低渗透性土体；而Shini-1粉土的K_s为1×10^-5m/s，渗透性相对较好。对于混合料C-3，其饱和渗透系数为5.4×10^-5m/s，与推荐材料的5.5×10^-5m/s非常接近。在非饱和状态下，随着吸力的增加，土体的渗透系数逐渐降低。C-3混合料与推荐材料在吸力从33 kPa到1400 kPa的整个范围内，其渗透系数变化规律也高度吻合，进一步证明了C-3混合料在渗透性方面与推荐材料具有等效性。

研究结论与讨论

本研究通过系统的室内试验和理论分析，得出以下主要结论：

1. 1.
   材料性能优化：通过将当地高塑性黏土（CH）与粉土（ML）按60%:40%的比例混合，成功制备出了一种性能优异的堤坝填料（C-3）。该混合料在土水特征曲线（SWCC）、非饱和抗剪强度、渗透性以及体积变化特性等方面，均与远距离运输的推荐材料表现出高度的一致性。
2. 2.
   工程适用性：C-3混合料在非饱和状态下表现出良好的工程特性。其适中的进气值和孔隙分布参数，使其在暴雨期间能够有效保持结构稳定性，同时在降雨间歇期又能适度排水，降低了因干湿循环导致开裂的风险。
3. 3.
   经济效益显著：采用C-3混合料作为堤坝填料，可以完全利用项目区附近的本地材料，避免了长距离运输带来的高昂成本。经测算，该方案可将材料成本降低约67%，具有显著的经济效益。

综上所述，本研究不仅为解决Guacha灌溉排水项目的堤坝材料问题提供了具体的技术方案，更重要的是，它展示了一种利用土水特征曲线（SWCC）科学评估和优化非饱和土工程特性的有效方法。这一方法可以推广应用于其他类似工程，为在资源受限地区开展可持续、低成本的土木工程建设提供了重要的理论依据和实践指导。