PS加固對非飽和遺址土滲透特性的多維度影響研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，土地資源愈發(fā)稀缺，城市規(guī)劃與建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。在城市建設(shè)中，非飽和遺址土廣泛存在，其滲透特性在很大程度上決定了土地的利用條件。非飽和土是指含有空氣和水的土，其孔隙中部分被水填充，部分被空氣填充。這種特殊的狀態(tài)使得非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)與飽和土存在顯著差異。非飽和遺址土由于受到地質(zhì)條件、氣候因素以及人類活動等多種因素的影響，其滲透特性變得極為復(fù)雜。在城市建設(shè)過程中，如道路修建、建筑物地基處理等工程，非飽和遺址土的滲透特性對工程的穩(wěn)定性和耐久性有著至關(guān)重要的影響。若滲透特性不良，可能導(dǎo)致地基沉降、地下水滲漏等問題，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和安全。在文物保護(hù)領(lǐng)域，許多珍貴的土遺址也面臨著非飽和土滲透特性帶來的威脅。我國擁有大量以土為主要建筑材料的土遺址，如敦煌玉門關(guān)、河倉城以及寧夏王陵三號陵墓等。這些土遺址歷經(jīng)歲月侵蝕，在自然營力和人為因素的作用下，面臨著風(fēng)化、坍塌等破壞風(fēng)險。非飽和土的滲透特性使得水分更容易侵入遺址土體，加速了土體中可溶鹽的運移和結(jié)晶，從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重威脅土遺址的保存。地表草坪、混凝土覆蓋層等表層處理方式也會嚴(yán)重影響非飽和土的滲透特性。這些處理方式可能改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，進(jìn)而影響水分的入滲和排出。因此，為了改善非飽和遺址土的滲透性能，提高工程建設(shè)的安全性和文物保護(hù)的有效性，對非飽和遺址土進(jìn)行人工加固成為必要手段。在眾多加固技術(shù)中，PS加固技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢在城市建設(shè)和文物保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。PS材料即高模數(shù)硅酸鉀，對西北干旱區(qū)的土遺址具有明顯的加固效果，加固后的土體也具有較好的滲透性。PS加固技術(shù)通過與土顆粒發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，改變土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而達(dá)到加固和改善滲透性能的目的。然而，目前關(guān)于PS加固對非飽和遺址土滲透特性影響的研究仍不夠深入和系統(tǒng)，尚未完全明確其作用機(jī)理和影響規(guī)律。因此，深入研究PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響具有重要的現(xiàn)實意義和迫切性。1.1.2研究意義工程應(yīng)用方面：準(zhǔn)確掌握PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響，能夠為城市建設(shè)中的地基處理、道路工程等提供科學(xué)的技術(shù)支持。通過合理運用PS加固技術(shù)，可以優(yōu)化工程設(shè)計，提高工程質(zhì)量，減少因土體滲透問題導(dǎo)致的工程病害和安全隱患，降低工程維護(hù)成本，保障工程的長期穩(wěn)定運行。在地基處理中，了解PS加固后土體滲透特性的變化，有助于確定合適的地基加固方案，提高地基的承載能力和抗?jié)B性能，確保建筑物的安全。遺址保護(hù)方面：對于土遺址保護(hù)而言，研究PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響，能夠為土遺址的保護(hù)修復(fù)提供關(guān)鍵的技術(shù)依據(jù)。通過PS加固技術(shù)改善土體的滲透性能，可以有效阻止水分侵入遺址土體，減緩?fù)馏w的風(fēng)化和劣化速度，保護(hù)土遺址的原始結(jié)構(gòu)和歷史信息，延長土遺址的保存壽命，使其能夠更好地傳承和展示人類的歷史文化遺產(chǎn)。對于敦煌莫高窟等土遺址，PS加固技術(shù)的合理應(yīng)用可以有效防止壁畫因土體滲透問題而產(chǎn)生的空鼓、脫落等病害。理論完善方面：從學(xué)術(shù)研究角度來看，深入探究PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響，有助于豐富和完善非飽和土力學(xué)理論以及加固技術(shù)理論體系。通過研究PS加固過程中土體微觀結(jié)構(gòu)的變化、物理化學(xué)作用機(jī)制以及滲透特性的演變規(guī)律，可以進(jìn)一步揭示非飽和土與加固材料之間的相互作用機(jī)理，填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的理論空白，為后續(xù)的研究提供新的思路和方法，推動該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1非飽和土滲透特性的研究現(xiàn)狀非飽和土的滲透特性一直是土力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。國外學(xué)者早在20世紀(jì)中葉就開始關(guān)注非飽和土的滲流問題，Richards在1931年提出了非飽和土水運動方程，為非飽和土滲透特性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，眾多學(xué)者圍繞非飽和土滲透系數(shù)的測定方法、影響因素以及滲透模型展開了深入研究。在滲透系數(shù)測定方面，目前主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法通過在土樣兩端施加穩(wěn)定的水頭差，測量穩(wěn)定滲流狀態(tài)下的流量來計算滲透系數(shù)；瞬態(tài)法則是根據(jù)非穩(wěn)定滲流過程中水頭或含水量的變化來確定滲透系數(shù)。例如，Klute于1952年提出的瞬時剖面法，以及Philip在1969年提出的水平土柱入滲法，都是較為常用的瞬態(tài)法測定技術(shù)。關(guān)于非飽和土滲透特性的影響因素，研究表明，土的顆粒級配、孔隙結(jié)構(gòu)、飽和度、基質(zhì)吸力等對滲透系數(shù)都有顯著影響。土顆粒越細(xì)，孔隙越小，滲透系數(shù)越低；飽和度的變化會改變土中孔隙水的連通性，從而影響滲透性能；基質(zhì)吸力的增加會使土顆粒間的有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響滲透系數(shù)。Fredlund和Xing在1994年提出了基于土-水特征曲線的非飽和土滲透系數(shù)預(yù)測模型，該模型考慮了基質(zhì)吸力對滲透系數(shù)的影響，在一定程度上提高了非飽和土滲透系數(shù)的預(yù)測精度。國內(nèi)學(xué)者在非飽和土滲透特性研究方面也取得了豐碩成果。陳正漢等對非飽和土的滲透特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗研究，深入分析了土的物理性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、溫度等因素對滲透特性的影響規(guī)律。方森英通過水文學(xué)試驗研究了非飽和土的滲流特性，揭示了非飽和土在不同邊界條件下的滲流機(jī)制。此外，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在非飽和土滲透特性研究中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們利用有限元、有限差分等數(shù)值方法，對非飽和土中的滲流過程進(jìn)行模擬分析，為工程實踐提供了重要的理論支持。1.2.2PS加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀PS加固技術(shù)作為一種有效的土體加固方法，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用。國外在PS加固材料的研發(fā)和應(yīng)用方面起步較早，研究主要集中在PS材料的性能優(yōu)化、加固機(jī)理以及在不同土體中的應(yīng)用效果等方面。一些學(xué)者通過對PS材料進(jìn)行改性處理，提高其與土體的粘結(jié)性能和耐久性；在加固機(jī)理研究方面，借助微觀測試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射分析（XRD）等，深入探究PS與土顆粒之間的物理化學(xué)作用過程。國內(nèi)對PS加固技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，主要針對我國豐富的土遺址保護(hù)問題展開。李最雄等對PS加固西北干旱區(qū)土遺址進(jìn)行了大量的研究和實踐，發(fā)現(xiàn)PS材料能夠與土顆粒發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，在反應(yīng)中顆粒的幾何形狀發(fā)生變化，大量棱角弱化或消失，土顆粒磨圓度變好，同時孔隙壁變得光滑、平直，孔隙彎曲因子減小，有效孔隙增大，從而使加固后的土體具有較好的強(qiáng)度和滲透性，為PS加固技術(shù)在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用提供了重要的理論和實踐依據(jù)。此后，PS加固技術(shù)逐漸應(yīng)用于其他領(lǐng)域的土體加固工程，如道路路基加固、邊坡防護(hù)等。研究人員通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場工程實踐，不斷優(yōu)化PS加固的施工工藝和參數(shù)，提高加固效果。1.2.3PS加固對非飽和土滲透特性影響的研究現(xiàn)狀目前，關(guān)于PS加固對非飽和土滲透特性影響的研究相對較少。李最雄等人采用VI-T非飽和土滲透儀和常規(guī)壓力板儀測試了PS加固前后飽和樣的滲透系數(shù)和非飽和土的土-水特征曲線（SWCC），結(jié)果顯示PS加固以后，在各個含水條件下的滲透性都有一定程度的提高，7％PS加固樣表現(xiàn)非常明顯。然而，現(xiàn)有研究主要側(cè)重于PS加固后土體滲透特性的宏觀測試分析，對于PS加固過程中土體微觀結(jié)構(gòu)的變化與滲透特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及PS加固對不同類型非飽和遺址土滲透特性影響的差異研究還不夠深入。在PS加固非飽和遺址土的工程應(yīng)用中，如何根據(jù)土體的具體特性選擇合適的PS加固參數(shù)，以達(dá)到最佳的滲透性能改善效果，仍缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗總結(jié)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容非飽和遺址土滲透特性分析：對非飽和遺址土的基本物理性質(zhì)，如顆粒級配、孔隙比、含水量、飽和度等進(jìn)行全面測定和分析。采用先進(jìn)的測試技術(shù)，如壓汞儀（MIP）、掃描電子顯微鏡（SEM）等，深入研究非飽和遺址土的孔隙結(jié)構(gòu)特征，包括孔隙大小分布、孔隙連通性等，建立孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與滲透特性之間的初步關(guān)系。運用非飽和土滲透理論，分析非飽和遺址土在不同基質(zhì)吸力、飽和度條件下的滲透系數(shù)變化規(guī)律，明確影響非飽和遺址土滲透特性的關(guān)鍵因素。PS加固技術(shù)原理及應(yīng)用：詳細(xì)闡述PS加固技術(shù)的作用原理，包括PS材料與土顆粒之間的物理化學(xué)反應(yīng)過程，如離子交換、凝膠化作用等。研究PS加固材料的組成、性質(zhì)以及不同配方對加固效果的影響。通過文獻(xiàn)調(diào)研和實際工程案例分析，總結(jié)PS加固技術(shù)在非飽和遺址土加固中的應(yīng)用現(xiàn)狀、適用條件和成功經(jīng)驗，明確PS加固技術(shù)在改善非飽和遺址土滲透特性方面的優(yōu)勢和潛力。PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響機(jī)理探究：借助微觀測試技術(shù)，如SEM、XRD（X射線衍射分析）、FTIR（傅里葉變換紅外光譜分析）等，深入研究PS加固前后非飽和遺址土微觀結(jié)構(gòu)的變化，包括土顆粒的表面形態(tài)、顆粒間的連接方式、孔隙結(jié)構(gòu)的演變等，分析微觀結(jié)構(gòu)變化與滲透特性改變之間的內(nèi)在聯(lián)系。從物理化學(xué)角度出發(fā)，研究PS加固過程中，PS與土顆粒之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物對土體滲透性的影響，以及反應(yīng)過程中土體物理性質(zhì)的改變，如顆粒的團(tuán)聚與分散、孔隙溶液的化學(xué)成分變化等對滲透性能的作用機(jī)制。建立考慮PS加固影響的非飽和遺址土滲透特性理論模型，綜合考慮微觀結(jié)構(gòu)變化、物理化學(xué)作用等因素，從理論上揭示PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響規(guī)律。實驗設(shè)計與實施：設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)實驗方案，包括不同PS摻量、不同壓實度、不同初始含水量的非飽和遺址土樣制備。采用先進(jìn)的非飽和土滲透測試儀器，如瞬態(tài)剖面法滲透儀、三軸滲透儀等，測定PS加固前后非飽和遺址土樣在不同工況下的滲透系數(shù)、土-水特征曲線等滲透特性參數(shù)。進(jìn)行現(xiàn)場試驗，選擇具有代表性的非飽和遺址土場地，開展PS加固現(xiàn)場試驗。在試驗場地設(shè)置不同的PS加固區(qū)域和對照區(qū)域，通過現(xiàn)場監(jiān)測，如地下水位監(jiān)測、土壤水分監(jiān)測、土體變形監(jiān)測等，獲取PS加固在實際工程條件下對非飽和遺址土滲透特性的影響數(shù)據(jù)，驗證室內(nèi)實驗結(jié)果的可靠性和適用性。數(shù)據(jù)分析與結(jié)果展示：運用統(tǒng)計學(xué)方法和數(shù)據(jù)處理軟件，對室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，揭示PS加固對非飽和遺址土滲透特性影響的規(guī)律和趨勢。通過圖表、曲線等直觀形式展示PS加固前后非飽和遺址土滲透特性參數(shù)的變化情況，以及不同影響因素（如PS摻量、含水量、飽和度等）與滲透特性之間的定量關(guān)系。對實驗結(jié)果進(jìn)行不確定性分析，評估實驗數(shù)據(jù)的可靠性和誤差范圍，為研究結(jié)論的準(zhǔn)確性提供保障。建設(shè)可持續(xù)性評價：從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會等多個角度，對PS加固非飽和遺址土的工程應(yīng)用進(jìn)行可持續(xù)性評價。分析PS加固技術(shù)的成本效益，包括PS材料成本、施工成本、維護(hù)成本等，與其他傳統(tǒng)加固技術(shù)進(jìn)行對比，評估其經(jīng)濟(jì)可行性。研究PS加固過程中及加固后對環(huán)境的影響，如PS材料的毒性、對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響等，提出相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施和建議?？紤]PS加固技術(shù)在遺址保護(hù)、城市建設(shè)等方面的社會效益，如對文物保護(hù)的貢獻(xiàn)、對城市可持續(xù)發(fā)展的促進(jìn)作用等，綜合評價PS加固技術(shù)的可持續(xù)性。1.3.2研究方法室內(nèi)試驗：在實驗室中，采用多種先進(jìn)的試驗設(shè)備和技術(shù)，對非飽和遺址土樣進(jìn)行全面的物理性質(zhì)測試和滲透特性試驗。使用篩分法和比重計法測定土樣的顆粒級配，通過環(huán)刀法、烘干法等測定土樣的密度、含水量等基本物理參數(shù)。利用壓汞儀（MIP）精確測量土樣的孔隙大小分布和孔隙比，通過掃描電子顯微鏡（SEM）直觀觀察土樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和土顆粒形態(tài)。采用瞬態(tài)剖面法滲透儀測定非飽和遺址土在不同含水量和基質(zhì)吸力條件下的滲透系數(shù)，利用壓力板儀測定土-水特征曲線，獲取土樣在不同吸力下的含水量變化關(guān)系。針對PS加固效果的研究，制備不同PS摻量的土樣，分別進(jìn)行上述物理性質(zhì)和滲透特性測試，對比分析PS加固前后土樣的各項指標(biāo)變化，探究PS摻量對非飽和遺址土滲透特性的影響規(guī)律?，F(xiàn)場試驗：選擇具有典型地質(zhì)條件和工程背景的非飽和遺址土場地，開展現(xiàn)場試驗。在試驗場地內(nèi)，劃分不同的試驗區(qū)，分別進(jìn)行PS加固處理和未加固處理（作為對照區(qū)）。在試驗區(qū)內(nèi)，按照設(shè)計要求進(jìn)行PS溶液的噴灑或灌注施工，確保PS材料與土體充分接觸和反應(yīng)。在試驗區(qū)和對照區(qū)內(nèi)，布置一系列的監(jiān)測設(shè)備，包括地下水位監(jiān)測井、土壤水分傳感器、土體變形監(jiān)測點等。定期監(jiān)測地下水位的變化，記錄不同深度處土壤水分含量的動態(tài)變化情況，以及土體的變形情況。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，研究PS加固在實際工程條件下對非飽和遺址土滲透特性的影響，包括對地下水滲流路徑、土體含水量分布以及土體穩(wěn)定性的影響。同時，觀察現(xiàn)場試驗過程中可能出現(xiàn)的問題，如PS材料的流失、土體的不均勻加固等，為優(yōu)化PS加固施工工藝提供實際依據(jù)。數(shù)值模擬：運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如COMSOLMultiphysics、GeoStudio等，建立考慮PS加固影響的非飽和遺址土滲流數(shù)值模型。在模型中，綜合考慮土體的物理性質(zhì)、PS加固后的力學(xué)和滲透特性變化、邊界條件以及外部荷載等因素。根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗獲取的數(shù)據(jù)，對模型中的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實際情況。利用建立好的數(shù)值模型，模擬不同工況下非飽和遺址土的滲流過程，如不同降雨強(qiáng)度、地下水位變化等條件下，PS加固前后土體中水分的運移規(guī)律和滲透特性的變化。通過數(shù)值模擬，可以直觀地展示滲流場的分布情況，預(yù)測PS加固對非飽和遺址土滲透特性的長期影響，為工程設(shè)計和決策提供科學(xué)依據(jù)。同時，通過數(shù)值模擬還可以進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，研究不同因素對滲透特性的影響程度，進(jìn)一步深化對PS加固作用機(jī)理的認(rèn)識。1.4研究創(chuàng)新點多尺度研究視角：本研究從宏觀和微觀兩個尺度出發(fā)，全面深入地探究PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響。在宏觀層面，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)地測定和分析PS加固前后非飽和遺址土的滲透系數(shù)、土-水特征曲線等宏觀滲透特性參數(shù)，明確PS加固在實際工程條件下對土體滲透性能的影響規(guī)律。在微觀層面，運用先進(jìn)的微觀測試技術(shù)，如SEM、XRD、FTIR等，詳細(xì)研究PS加固過程中土體微觀結(jié)構(gòu)的變化，包括土顆粒的表面形態(tài)、顆粒間的連接方式、孔隙結(jié)構(gòu)的演變等，以及PS與土顆粒之間的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，從微觀角度揭示PS加固對非飽和遺址土滲透特性影響的內(nèi)在機(jī)制。這種多尺度的研究視角，能夠更加全面、深入地理解PS加固與非飽和遺址土滲透特性之間的關(guān)系，彌補(bǔ)了以往研究僅從單一尺度進(jìn)行分析的不足。多方法綜合運用：本研究綜合運用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬三種方法，對PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響進(jìn)行全方位的研究。室內(nèi)試驗可以精確控制試驗條件，對不同PS摻量、不同壓實度、不同初始含水量的非飽和遺址土樣進(jìn)行系統(tǒng)的物理性質(zhì)和滲透特性測試，為研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場試驗則在實際工程環(huán)境中進(jìn)行，能夠真實反映PS加固在復(fù)雜地質(zhì)條件和工程背景下對非飽和遺址土滲透特性的影響，驗證室內(nèi)試驗結(jié)果的可靠性和適用性。數(shù)值模擬利用專業(yè)軟件建立考慮PS加固影響的非飽和遺址土滲流數(shù)值模型，模擬不同工況下土體的滲流過程，預(yù)測PS加固對非飽和遺址土滲透特性的長期影響，并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，深化對PS加固作用機(jī)理的認(rèn)識。三種方法相互補(bǔ)充、相互驗證，提高了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。可持續(xù)性評價創(chuàng)新：本研究首次從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會等多個角度，對PS加固非飽和遺址土的工程應(yīng)用進(jìn)行全面的可持續(xù)性評價。在經(jīng)濟(jì)評價方面，詳細(xì)分析PS加固技術(shù)的成本效益，包括PS材料成本、施工成本、維護(hù)成本等，并與其他傳統(tǒng)加固技術(shù)進(jìn)行對比，評估其經(jīng)濟(jì)可行性。在環(huán)境評價方面，深入研究PS加固過程中及加固后對環(huán)境的影響，如PS材料的毒性、對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響等，提出相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施和建議。在社會評價方面，充分考慮PS加固技術(shù)在遺址保護(hù)、城市建設(shè)等方面的社會效益，如對文物保護(hù)的貢獻(xiàn)、對城市可持續(xù)發(fā)展的促進(jìn)作用等。通過綜合評價，為PS加固技術(shù)的合理應(yīng)用和推廣提供全面的決策依據(jù)，促進(jìn)其在工程實踐中的可持續(xù)發(fā)展。二、非飽和遺址土滲透特性分析2.1非飽和遺址土的基本特性2.1.1物理特性非飽和遺址土的物理特性是其滲透特性的重要基礎(chǔ)，主要包括顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)和含水量等參數(shù)，這些參數(shù)相互作用，共同影響著土體的滲透性能。顆粒組成：非飽和遺址土的顆粒組成是其物理特性的關(guān)鍵因素之一，通常由不同粒徑的顆粒組成，包括礫石、砂粒、粉粒和黏粒等。不同粒徑顆粒的含量和分布對土體的滲透特性有著顯著影響。礫石和砂粒等粗顆粒具有較大的粒徑和孔隙，能夠提供相對較大的滲流通道，使得水分在土體中更容易流動，因此含有較多粗顆粒的非飽和遺址土往往具有較高的滲透系數(shù)。當(dāng)?shù)[石和砂粒含量較高時，土體的孔隙較大且連通性較好，水分能夠快速通過這些孔隙，從而提高了土體的滲透性。粉粒和黏粒等細(xì)顆粒則具有較小的粒徑和較大的比表面積，它們能夠吸附更多的水分，形成較厚的結(jié)合水膜，從而減小了土體的孔隙尺寸和連通性，降低了土體的滲透系數(shù)。黏粒含量較高的非飽和遺址土，由于黏粒表面帶有電荷，能夠吸附大量的水分子，使得孔隙中的自由水含量減少，同時黏粒之間的相互作用較強(qiáng)，容易形成團(tuán)聚體，進(jìn)一步減小了孔隙尺寸，導(dǎo)致土體的滲透性較差。顆粒組成的不均勻性也會對滲透特性產(chǎn)生影響。不均勻系數(shù)（C_u）和曲率系數(shù)（C_c）是衡量顆粒組成不均勻性的重要指標(biāo)。不均勻系數(shù)C_u=d_{60}/d_{10}，其中d_{60}表示小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量60%的粒徑，d_{10}表示小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量10%的粒徑；曲率系數(shù)C_c=(d_{30})^2/(d_{60}\timesd_{10})，其中d_{30}表示小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量30%的粒徑。當(dāng)C_u較大且C_c在合適范圍內(nèi)時，土體顆粒級配良好，大小顆粒相互填充，孔隙分布較為合理，有利于水分的滲透；反之，當(dāng)C_u較小或C_c不在合適范圍內(nèi)時，土體顆粒級配不良，可能存在較多的細(xì)顆粒填充在粗顆?？紫吨?，導(dǎo)致孔隙堵塞，降低土體的滲透性能?？紫督Y(jié)構(gòu)：孔隙結(jié)構(gòu)是影響非飽和遺址土滲透特性的另一個重要因素，它包括孔隙大小分布、孔隙連通性和孔隙形狀等方面。孔隙大小分布直接決定了土體中水分流動通道的大小和數(shù)量。通過壓汞儀（MIP）等測試技術(shù)，可以獲取非飽和遺址土的孔隙大小分布曲線。一般來說，土體中存在著不同大小的孔隙，可分為大孔隙、中孔隙和小孔隙。大孔隙對水分的快速傳輸起著重要作用，能夠提供較高的滲透通道，使水分能夠迅速通過土體；中孔隙則在水分儲存和傳輸中起到一定的調(diào)節(jié)作用；小孔隙主要影響土體的持水能力，由于其孔徑較小，水分在其中的流動受到較大的阻力，滲透速度較慢。當(dāng)土體中含有較多的大孔隙時，其滲透系數(shù)相對較大；而小孔隙含量較高時，滲透系數(shù)則較小?？紫哆B通性是指孔隙之間相互連接的程度，它決定了水分在土體中能否順利流動。連通性好的孔隙能夠形成連續(xù)的滲流通道，使水分能夠在土體中自由遷移；而連通性差的孔隙則會阻礙水分的流動，導(dǎo)致滲透性能下降。掃描電子顯微鏡（SEM）可以直觀地觀察土體的孔隙連通情況。在一些非飽和遺址土中，由于顆粒的排列方式和膠結(jié)作用，可能會出現(xiàn)部分孔隙被堵塞或孤立的情況，從而降低了孔隙的連通性，進(jìn)而影響土體的滲透特性?？紫缎螤钜矔B透特性產(chǎn)生影響。不同形狀的孔隙，其水流阻力不同。例如，圓形孔隙的水流阻力相對較小，有利于水分的流動；而不規(guī)則形狀的孔隙，如扁平狀或彎曲狀孔隙，會增加水流的阻力，使水分在其中的流動速度減慢。此外，孔隙表面的粗糙度也會影響水流的摩擦阻力，進(jìn)而影響滲透性能。含水量：含水量是反映非飽和遺址土中水分含量的重要指標(biāo)，它對土體的滲透特性有著顯著的影響。隨著含水量的增加，土體中的孔隙水逐漸增多，孔隙中的空氣被逐漸擠出，土體的飽和度逐漸提高。在低含水量階段，土體中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，結(jié)合水與土顆粒表面的吸附力較強(qiáng)，流動性較差，此時土體的滲透系數(shù)較小。隨著含水量的增加，自由水含量逐漸增多，自由水在土體孔隙中能夠自由流動，為水分的滲透提供了更多的通道，從而使土體的滲透系數(shù)逐漸增大。當(dāng)含水量達(dá)到一定程度后，土體接近飽和狀態(tài)，此時孔隙中幾乎充滿了水分，空氣含量極少，滲透系數(shù)達(dá)到最大值。但當(dāng)土體處于過飽和狀態(tài)時，多余的水分可能會在土體表面形成積水，反而會阻礙水分的進(jìn)一步滲透。含水量的變化還會導(dǎo)致土體的體積發(fā)生變化，進(jìn)而影響孔隙結(jié)構(gòu)和滲透特性。當(dāng)含水量增加時，土體可能會發(fā)生膨脹，孔隙體積增大，孔隙連通性可能會得到改善，從而提高滲透系數(shù)；當(dāng)含水量減少時，土體可能會發(fā)生收縮，孔隙體積減小，甚至可能出現(xiàn)裂縫，裂縫的出現(xiàn)會改變土體的滲透路徑，使?jié)B透系數(shù)發(fā)生變化。在一些干旱地區(qū)的非飽和遺址土中，由于含水量的季節(jié)性變化，土體反復(fù)經(jīng)歷膨脹和收縮過程，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)不斷變化，對滲透特性產(chǎn)生復(fù)雜的影響。2.1.2力學(xué)特性非飽和遺址土的力學(xué)特性與滲透特性之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，其中抗剪強(qiáng)度和壓縮性是兩個重要的力學(xué)性質(zhì)，它們對土體的滲透性能有著不同程度的影響?？辜魪?qiáng)度：非飽和遺址土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的能力，它與土體的顆粒間作用力、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力等因素密切相關(guān)。在非飽和狀態(tài)下，土體中的孔隙水和空氣共同存在，孔隙水壓力和基質(zhì)吸力的變化會影響土體的有效應(yīng)力，進(jìn)而影響抗剪強(qiáng)度。當(dāng)土體受到外力作用時，如果抗剪強(qiáng)度不足，土體可能會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的改變，從而對滲透特性產(chǎn)生顯著影響?；|(zhì)吸力是影響非飽和土抗剪強(qiáng)度的重要因素之一。基質(zhì)吸力是指土體孔隙中孔隙水壓力與孔隙氣壓力之差，它反映了土體對水分的吸力作用。隨著基質(zhì)吸力的增加，土顆粒間的有效應(yīng)力增大，顆粒間的摩擦力和咬合力增強(qiáng)，從而提高了土體的抗剪強(qiáng)度。Fredlund和Rahardjo提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式為：\tau=c'+(\sigma-u_a)\tan\varphi'+(u_a-u_w)\tan\varphi^b，其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c'為有效黏聚力，\sigma為總應(yīng)力，u_a為孔隙氣壓力，u_w為孔隙水壓力，\varphi'為有效內(nèi)摩擦角，\varphi^b為與基質(zhì)吸力相關(guān)的內(nèi)摩擦角。從該公式可以看出，基質(zhì)吸力的變化會直接影響抗剪強(qiáng)度的大小。當(dāng)土體的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化時，其滲透特性也會相應(yīng)改變。在剪切破壞過程中，土體的顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，原本連通的孔隙可能被堵塞或形成新的孔隙通道，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)發(fā)生變化。在邊坡工程中，如果非飽和遺址土的抗剪強(qiáng)度不足，發(fā)生滑坡等破壞現(xiàn)象，滑坡體的土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，滲透特性也會隨之改變，可能會導(dǎo)致地下水的滲流路徑發(fā)生改變，增加了工程的風(fēng)險。壓縮性：非飽和遺址土的壓縮性是指土體在壓力作用下體積減小的特性，它主要取決于土體的顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)以及土體的應(yīng)力歷史等因素。在工程建設(shè)中，非飽和遺址土往往會受到各種荷載的作用，如建筑物的自重、車輛的行駛荷載等，這些荷載會使土體產(chǎn)生壓縮變形，進(jìn)而影響其滲透特性。當(dāng)非飽和遺址土受到壓力作用時，土體中的孔隙體積會減小，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。對于一些顆粒較細(xì)、孔隙較小的非飽和遺址土，在壓縮過程中，孔隙可能會被進(jìn)一步壓縮，導(dǎo)致孔隙連通性變差，滲透系數(shù)降低。而對于一些顆粒較粗、孔隙較大的土體，在一定的壓力范圍內(nèi)，雖然孔隙體積會減小，但由于其孔隙結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，可能仍能保持較好的滲透性能。但當(dāng)壓力超過一定限度時，土體結(jié)構(gòu)可能會被破壞，滲透特性也會發(fā)生顯著改變。在地基處理工程中，通常會對非飽和遺址土進(jìn)行壓實處理，以提高土體的密實度和承載能力。壓實過程實際上是對土體進(jìn)行壓縮的過程，通過壓實，土體的孔隙率減小，顆粒排列更加緊密。適當(dāng)?shù)膲簩嵖梢愿纳仆馏w的滲透性能，使土體更加均勻，減少水分在土體中的集中滲流通道，降低滲透系數(shù)，提高土體的抗?jié)B能力。但如果壓實過度，可能會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，孔隙堵塞，反而使?jié)B透性能惡化。2.2非飽和土滲透特性的研究方法2.2.1室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗是研究非飽和土滲透特性的重要手段，能夠在可控條件下對非飽和土的滲透性能進(jìn)行精確測定和分析。常用的室內(nèi)測定非飽和土滲透系數(shù)的試驗方法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法：穩(wěn)態(tài)法的基本原理是基于達(dá)西定律，在土樣兩端施加穩(wěn)定的水頭差，使水流在土樣中達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，然后通過測量穩(wěn)定滲流狀態(tài)下的流量來計算滲透系數(shù)。具體試驗裝置通常由供水系統(tǒng)、土樣容器、測壓管和流量測量裝置等組成。在試驗過程中，通過調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)，使土樣兩端保持恒定的水頭差，待水流穩(wěn)定后，記錄單位時間內(nèi)通過土樣的水量Q，根據(jù)達(dá)西定律公式k=\frac{QL}{Ah}（其中k為滲透系數(shù)，L為土樣長度，A為土樣橫截面積，h為水頭差），即可計算出非飽和土的滲透系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法的優(yōu)點是試驗原理簡單，結(jié)果直觀，能夠直接反映非飽和土在特定水力條件下的滲透性能。由于需要較長時間才能達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，試驗周期較長，且對試驗裝置的密封性和穩(wěn)定性要求較高。在試驗過程中，若水頭差或流量出現(xiàn)微小波動，都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響。穩(wěn)態(tài)法對于低滲透系數(shù)的非飽和土，由于水流極其緩慢，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間更長，試驗難度較大。瞬態(tài)法：瞬態(tài)法是根據(jù)非穩(wěn)定滲流過程中水頭或含水量的變化來確定滲透系數(shù)，它不需要等待水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此試驗周期相對較短。常見的瞬態(tài)法有瞬時剖面法、水平土柱入滲法等。瞬時剖面法通過測量非飽和土在入滲或排水過程中不同時刻的含水量剖面，利用質(zhì)量守恒原理和達(dá)西定律來計算滲透系數(shù)。在一個垂直土柱中進(jìn)行入滲試驗，在不同時刻測量土柱中不同深度處的含水量，根據(jù)含水量隨時間和深度的變化關(guān)系，結(jié)合相關(guān)公式即可計算出不同位置和時刻的滲透系數(shù)。水平土柱入滲法是將非飽和土樣制成水平土柱，在土柱一端施加恒定的水頭，記錄入滲過程中濕潤鋒的推進(jìn)距離隨時間的變化，通過相關(guān)理論公式反演得到滲透系數(shù)。該方法的優(yōu)點是試驗裝置相對簡單，操作方便，能夠快速獲得非飽和土的滲透系數(shù)。但瞬態(tài)法的試驗結(jié)果受測量誤差的影響較大，對測量儀器的精度要求較高。由于試驗過程中水流處于非穩(wěn)定狀態(tài)，理論分析相對復(fù)雜，需要采用合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。2.2.2理論模型理論模型在描述非飽和土滲透特性方面起著至關(guān)重要的作用，它能夠通過數(shù)學(xué)表達(dá)式定量地反映非飽和土滲透系數(shù)與各種影響因素之間的關(guān)系，為非飽和土滲透特性的研究和工程應(yīng)用提供理論支持。常用的用于描述非飽和土滲透特性的理論模型有VanGenuchten模型、Mualem模型等。VanGenuchten模型：VanGenuchten模型是由VanGenuchten在1980年提出的，該模型基于土-水特征曲線，通過數(shù)學(xué)函數(shù)來描述非飽和土的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。其土-水特征曲線模型表達(dá)式為：\theta=\theta_r+\frac{\theta_s-\theta_r}{(1+(\alphah)^n)^{1-\frac{1}{n}}}，其中\(zhòng)theta為體積含水量，\theta_r為殘余含水量，\theta_s為飽和含水量，h為基質(zhì)吸力，\alpha和n為與土性有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)?；谠撏?水特征曲線，VanGenuchten進(jìn)一步推導(dǎo)出非飽和土滲透系數(shù)模型：k(h)=k_sS_e^{\frac{1}{2}}\left[1-(1-S_e^{\frac{1}{m}})^m\right]^2，其中k(h)為非飽和滲透系數(shù)，k_s為飽和滲透系數(shù)，S_e=\frac{\theta-\theta_r}{\theta_s-\theta_r}為有效飽和度，m=1-\frac{1}{n}。VanGenuchten模型的優(yōu)點是能夠較好地擬合多種類型非飽和土的土-水特征曲線和滲透系數(shù)曲線，模型參數(shù)具有明確的物理意義，且參數(shù)數(shù)量相對較少，便于通過試驗確定。該模型在描述非飽和土滲透特性時，考慮了土的孔隙結(jié)構(gòu)和基質(zhì)吸力的影響，能夠較為準(zhǔn)確地反映非飽和土在不同吸力條件下的滲透性能變化。然而，該模型也存在一定的局限性，對于一些特殊土，如結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的土，模型的擬合效果可能不理想，因為它沒有充分考慮土顆粒間的相互作用和土體結(jié)構(gòu)的影響。Mualem模型：Mualem模型是Mualem在1976年提出的一種基于孔隙大小分布的非飽和土滲透系數(shù)模型。該模型假設(shè)非飽和土的孔隙可以等效為一系列不同半徑的毛細(xì)管，通過考慮孔隙大小分布和孔隙連通性來推導(dǎo)滲透系數(shù)。其基本表達(dá)式為：k(S_e)=k_sS_e^{\frac{1}{2}}\int_0^{S_e}\frac{1}{h^2(S')}\frac{dS'}{dh(S')}dh(S')，其中k(S_e)為非飽和滲透系數(shù)，k_s為飽和滲透系數(shù)，S_e為有效飽和度，h(S')為與有效飽和度S'對應(yīng)的基質(zhì)吸力。Mualem模型的優(yōu)勢在于從微觀孔隙結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，深入考慮了孔隙大小分布和連通性對滲透系數(shù)的影響，具有較為堅實的物理基礎(chǔ)。在一些理論分析和數(shù)值模擬中，該模型能夠更準(zhǔn)確地反映非飽和土滲透特性的本質(zhì)。但該模型的計算過程相對復(fù)雜，需要先確定土的孔隙大小分布函數(shù)，這在實際應(yīng)用中可能存在一定難度，且模型參數(shù)的確定也需要更多的試驗數(shù)據(jù)和分析。2.3非飽和遺址土滲透特性的影響因素2.3.1土的性質(zhì)土的性質(zhì)是影響非飽和遺址土滲透特性的內(nèi)在因素，其中土顆粒大小、級配以及礦物成分等對滲透特性有著關(guān)鍵影響。土顆粒大小直接決定了土體中孔隙的大小，進(jìn)而影響水分的滲透路徑和速度。粗顆粒土如礫石和粗砂，其顆粒粒徑較大，顆粒間形成的孔隙也較大，這些大孔隙為水分提供了較為暢通的滲透通道，使得水分能夠快速通過土體，因此粗顆粒土的滲透系數(shù)通常較大。在一些由礫石組成的非飽和遺址土中，水分能夠迅速下滲，滲透系數(shù)可達(dá)到10?2-10?3cm/s量級。而細(xì)顆粒土如粉土和黏土，顆粒粒徑較小，孔隙也相應(yīng)較小，水分在這些小孔隙中流動時受到的阻力較大，滲透速度較慢，滲透系數(shù)較小。黏土的滲透系數(shù)可能低至10??-10??cm/s量級。土的級配反映了不同粒徑顆粒的分布情況，對滲透特性也有重要影響。良好級配的土，大小顆粒相互填充，孔隙分布較為合理，既存在一定數(shù)量的大孔隙以保證水分的快速傳輸，又有適量的小孔隙來維持土體的穩(wěn)定性和持水能力，從而具有較好的滲透性能。當(dāng)土中既有較大粒徑的砂粒，又有適量的粉粒和黏粒填充在砂粒之間的孔隙中時，土體的滲透系數(shù)適中，既能滿足一定的排水要求，又能防止水分過度流失。相反，不良級配的土，可能存在顆粒粒徑單一或粗細(xì)顆粒搭配不合理的情況，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)不理想，影響滲透性能。如果土中主要是單一粒徑的細(xì)顆粒，孔隙大小相近且連通性較差，水分難以在其中順利流動，滲透系數(shù)會顯著降低。礦物成分是土的重要特性之一，不同的礦物成分具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，從而影響非飽和遺址土的滲透特性。黏土礦物由于其顆粒細(xì)小、比表面積大且表面帶有電荷，能夠吸附大量的水分子，形成較厚的結(jié)合水膜。這不僅減小了孔隙尺寸，還增加了水分在孔隙中流動的阻力，使得含有較多黏土礦物的非飽和遺址土滲透系數(shù)較低。蒙脫石是一種常見的黏土礦物，其吸水性強(qiáng)，當(dāng)土體中蒙脫石含量較高時，土體的膨脹性和收縮性明顯，孔隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)一步降低了滲透性能。而石英等非黏土礦物，顆粒相對較大，表面活性較低，對水分的吸附作用較弱，因此含有較多石英的土，其滲透性能相對較好。2.3.2含水量含水量是影響非飽和遺址土滲透特性的關(guān)鍵因素之一，其變化對非飽和遺址土滲透系數(shù)和土-水特征曲線有著顯著影響。隨著含水量的增加，非飽和遺址土的滲透系數(shù)會發(fā)生明顯變化。在低含水量階段，土體中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，結(jié)合水與土顆粒表面的吸附力較強(qiáng)，水分子的活動性較弱，難以在土體中形成有效的滲流通道，此時土體的滲透系數(shù)較小。當(dāng)含水量逐漸增加時，自由水含量逐漸增多，自由水在土體孔隙中能夠自由流動，填充并連通了部分孔隙，為水分的滲透提供了更多的通道，從而使?jié)B透系數(shù)逐漸增大。當(dāng)含水量達(dá)到一定程度后，土體接近飽和狀態(tài)，孔隙中幾乎充滿了水分，此時滲透系數(shù)達(dá)到最大值。當(dāng)土體處于過飽和狀態(tài)時，多余的水分可能會在土體表面形成積水，阻礙水分的進(jìn)一步滲透，滲透系數(shù)不再隨含水量的增加而增大，甚至可能會因土體結(jié)構(gòu)的破壞而略有下降。含水量的變化還會導(dǎo)致土-水特征曲線的改變。土-水特征曲線描述了土體基質(zhì)吸力與含水量之間的關(guān)系，是研究非飽和土滲透特性的重要依據(jù)。當(dāng)含水量增加時，土體中的孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減小，土-水特征曲線表現(xiàn)為向左下方移動。在吸濕過程中，隨著含水量的逐漸增加，土體基質(zhì)吸力逐漸減小，但由于孔隙結(jié)構(gòu)的影響，土-水特征曲線在吸濕和脫濕過程中存在滯回現(xiàn)象。即對于同一基質(zhì)吸力值，吸濕過程中的含水量會低于脫濕過程中的含水量，這種滯回現(xiàn)象反映了土體孔隙結(jié)構(gòu)在水分變化過程中的不可逆性以及水分在孔隙中的分布狀態(tài)的差異，進(jìn)一步影響了非飽和遺址土的滲透特性。2.3.3孔隙結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)是影響非飽和遺址土滲透特性的重要因素，其孔隙大小、形狀和連通性等特征與滲透特性密切相關(guān)?？紫洞笮∈菦Q定非飽和遺址土滲透性能的關(guān)鍵因素之一。大孔隙能夠提供較大的滲流通道，使水分能夠快速通過土體，對滲透系數(shù)的貢獻(xiàn)較大。在一些粗顆粒土中，大孔隙較多，水分可以迅速在其中流動，滲透系數(shù)較高。而小孔隙則主要影響土體的持水能力，由于其孔徑較小，水分在其中的流動受到較大的阻力，滲透速度較慢。當(dāng)土體中含有較多小孔隙時，水分難以在土體中快速傳輸，滲透系數(shù)較低。通過壓汞儀（MIP）等測試技術(shù)可以精確測量土體的孔隙大小分布，研究表明，不同孔徑的孔隙對滲透特性的影響程度不同，存在一個對滲透系數(shù)影響最為顯著的孔徑范圍，稱為有效孔徑。當(dāng)土體中有效孔徑的孔隙含量增加時，滲透系數(shù)會相應(yīng)增大?？紫缎螤顚Ψ秋柡瓦z址土的滲透特性也有重要影響。不同形狀的孔隙，其水流阻力不同。圓形孔隙的水流阻力相對較小，有利于水分的流動；而不規(guī)則形狀的孔隙，如扁平狀、彎曲狀或帶有狹窄頸部的孔隙，會增加水流的阻力，使水分在其中的流動速度減慢。在一些土體中，由于顆粒的排列和膠結(jié)作用，形成了復(fù)雜的孔隙形狀，這些不規(guī)則孔隙會阻礙水分的順利滲透，降低滲透系數(shù)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）可以直觀地觀察到土體的孔隙形狀，分析孔隙形狀與滲透特性之間的關(guān)系?？紫哆B通性是指孔隙之間相互連接的程度，它決定了水分在土體中能否順利流動。連通性好的孔隙能夠形成連續(xù)的滲流通道，使水分能夠在土體中自由遷移，從而提高土體的滲透性能。而連通性差的孔隙則會阻礙水分的流動，導(dǎo)致滲透性能下降。在一些非飽和遺址土中，由于顆粒的堆積方式、膠結(jié)物的分布以及土體的結(jié)構(gòu)性等因素，部分孔隙可能被堵塞或孤立，孔隙連通性較差，水分難以在土體中形成有效的滲流路徑，滲透系數(shù)較低。通過圖像分析技術(shù)和數(shù)值模擬方法，可以對孔隙連通性進(jìn)行量化分析，研究其對非飽和遺址土滲透特性的影響。三、PS加固技術(shù)原理及應(yīng)用3.1PS加固材料介紹3.1.1PS材料的組成與性質(zhì)PS材料，即硅酸鉀（PotassiumSilicate），其化學(xué)式通常表示為K_2O·nSiO_2，是一種由鉀離子（K^+）和硅酸根離子（SiO_3^{2-}）組成的無機(jī)化合物，可視為硅酸與鉀堿反應(yīng)生成的鹽類。硅酸鉀有固體和液體兩種形態(tài)，固體物中主要包含偏硅酸鉀和二硅酸鉀。偏硅酸鉀為無色或淺綠色斜方晶系固體，常呈類似玻璃狀的塊狀或粒狀，其熔點為976攝氏度，折射率1.520，易溶于水，水溶液呈堿性，不溶于乙醇，在酸中會發(fā)生分解反應(yīng)，且溶于水后其性質(zhì)與液體硅酸鉀相同；二硅酸鉀同樣為無色斜方晶系固體，相對密度2.456，熔點1045攝氏度，折射率1.503，也可溶于水。而液體硅酸鉀系無色或微綠色黏稠液體，易溶于水和酸，并會游離出膠狀硅酸，其中鉀含量越高，越易溶于水，且不溶于醇，其工業(yè)品一般呈現(xiàn)為淺灰色黏稠性液體。在PS加固技術(shù)中，PS材料的模數(shù)和濃度是影響其加固效果的關(guān)鍵性質(zhì)參數(shù)。模數(shù)（n）是指硅酸鉀中二氧化硅（SiO_2）與氧化鉀（K_2O）的物質(zhì)的量之比，它反映了硅酸根離子的聚合程度，對PS材料的物理化學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。當(dāng)模數(shù)較高時，硅酸根離子的聚合程度較大，PS溶液的黏性和穩(wěn)定性相對較高，在與土顆粒發(fā)生反應(yīng)時，能夠形成更為復(fù)雜和穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)作用，提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。高模數(shù)的PS溶液在加固非飽和遺址土?xí)r，能夠在土顆粒表面形成一層致密的硅酸鉀凝膠膜，有效填充土顆粒間的孔隙，阻止水分的侵入，同時增強(qiáng)土顆粒之間的摩擦力和咬合力。PS材料的濃度則直接影響其在土體中的滲透能力和與土顆粒的反應(yīng)程度。適當(dāng)提高PS材料的濃度，可以增加單位體積內(nèi)參與反應(yīng)的物質(zhì)的量，從而加快反應(yīng)速度，提高加固效果。然而，過高的濃度可能會導(dǎo)致PS溶液的黏性過大，不利于其在土體中的滲透和均勻分布，甚至可能在土體表面形成一層硬殼，阻礙PS材料向土體內(nèi)部的進(jìn)一步滲透。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)非飽和遺址土的具體性質(zhì)，如孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒組成等，合理調(diào)整PS材料的濃度，以達(dá)到最佳的加固效果。對于孔隙較小、滲透性較差的非飽和遺址土，應(yīng)適當(dāng)降低PS材料的濃度，以確保其能夠順利滲透到土體內(nèi)部；而對于孔隙較大、滲透性較好的土體，則可以適當(dāng)提高PS材料的濃度，增強(qiáng)其加固作用。3.1.2PS材料的優(yōu)點PS材料在加固非飽和遺址土?xí)r具有諸多顯著優(yōu)點，使其在工程實踐和文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。耐久性好：PS材料與非飽和遺址土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，能夠在土顆粒表面形成一層穩(wěn)定的硅酸鉀凝膠膜，這層凝膠膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗風(fēng)化能力。它能夠有效阻止外界環(huán)境因素，如水分、氧氣、酸雨等對土體的侵蝕，減緩?fù)馏w的老化和劣化過程，從而顯著提高非飽和遺址土的耐久性。在長期的自然環(huán)境作用下，經(jīng)過PS加固的非飽和遺址土能夠保持較好的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)性能，不易出現(xiàn)裂縫、剝落等病害，為工程結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定和文物遺址的長久保存提供了有力保障。在一些干旱地區(qū)的土遺址保護(hù)中，PS加固后的土體經(jīng)過多年的風(fēng)吹日曬和少量降雨侵蝕，依然保持著較好的外觀和強(qiáng)度，有效保護(hù)了文物遺址的歷史風(fēng)貌。環(huán)保性強(qiáng)：PS材料屬于無機(jī)化合物，不含有機(jī)溶劑和揮發(fā)性有害物質(zhì)，在生產(chǎn)、使用和儲存過程中不會對環(huán)境造成污染。與一些有機(jī)加固材料相比，PS材料在加固非飽和遺址土后，不會釋放出有害氣體或物質(zhì)，不會對土壤生態(tài)系統(tǒng)和地下水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。這使得PS加固技術(shù)在城市建設(shè)和文物保護(hù)等對環(huán)境要求較高的領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。在城市地基加固工程中，使用PS材料進(jìn)行加固，不會對周邊的生態(tài)環(huán)境和居民生活造成危害，同時也有利于保護(hù)地下水資源的質(zhì)量。成本效益高：PS材料的原材料來源廣泛，主要由硅砂和鉀堿等組成，價格相對較為低廉。其制備工藝相對簡單，生產(chǎn)成本較低。在非飽和遺址土加固工程中，PS材料的用量相對較少，且施工工藝較為便捷，不需要復(fù)雜的施工設(shè)備和技術(shù)，能夠有效降低工程的施工成本。PS加固后的非飽和遺址土能夠提高土體的性能，減少工程后期的維護(hù)和修復(fù)成本，從長期來看，具有較高的成本效益。在一些大型的道路路基加固工程中，采用PS加固技術(shù)，不僅能夠滿足工程的質(zhì)量要求，還能夠顯著降低工程的總體造價，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。3.2PS加固技術(shù)的原理3.2.1PS與土顆粒的物理化學(xué)反應(yīng)當(dāng)PS溶液滲透到非飽和遺址土中后，會與土顆粒發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)過程對土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。PS溶液中的硅酸鉀在水中會發(fā)生水解反應(yīng)，硅酸鉀（K_2O·nSiO_2）水解產(chǎn)生硅酸根離子（SiO_3^{2-}）和鉀離子（K^+），其水解反應(yīng)式大致為：K_2O·nSiO_2+H_2O\longrightarrow2K^++nSiO_3^{2-}+H_2O。水解產(chǎn)生的硅酸根離子具有較高的活性，能夠與土顆粒表面的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。土顆粒表面通常帶有一定的電荷，會吸附一些陽離子，如鈣離子（Ca^{2+}）、鎂離子（Mg^{2+}）等。硅酸根離子會與這些吸附在土顆粒表面的陽離子發(fā)生交換，將其置換下來，自身則吸附在土顆粒表面。這種離子交換反應(yīng)使得土顆粒表面的化學(xué)成分和電荷分布發(fā)生改變，增強(qiáng)了土顆粒與PS溶液之間的相互作用。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅酸根離子會進(jìn)一步發(fā)生聚合反應(yīng)，形成不同聚合度的硅酸聚合物。這些硅酸聚合物具有較強(qiáng)的膠凝能力，能夠在土顆粒間形成膠結(jié)物質(zhì)，將土顆粒緊密地粘結(jié)在一起。膠凝反應(yīng)過程中，硅酸聚合物逐漸脫水縮合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鉀凝膠，其反應(yīng)式可簡單表示為：mSiO_3^{2-}+2mH^+\longrightarrow(SiO_2)_m+mH_2O，其中(SiO_2)_m表示硅酸鉀凝膠。硅酸鉀凝膠填充在土顆粒之間的孔隙中，不僅增加了土顆粒間的連接強(qiáng)度，還減小了孔隙尺寸，提高了土體的密實度。在一些非飽和遺址土中，經(jīng)過PS加固后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）可以觀察到土顆粒表面覆蓋著一層連續(xù)的硅酸鉀凝膠膜，土顆粒之間通過凝膠相互連接，形成了更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。PS溶液中的鉀離子也在反應(yīng)過程中發(fā)揮了重要作用。鉀離子半徑較小，能夠進(jìn)入土顆粒的晶格內(nèi)部，與土顆粒中的其他離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變土顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。鉀離子可以與黏土礦物中的鋁離子（Al^{3+}）發(fā)生反應(yīng)，形成鉀鋁硅酸鹽等礦物，這些新生成的礦物具有較高的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增強(qiáng)了土顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鉀離子還能夠影響土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，壓縮雙電層厚度，使土顆粒之間的排斥力減小，從而促進(jìn)土顆粒的團(tuán)聚和凝聚，有利于形成更為緊密的土體結(jié)構(gòu)。3.2.2加固機(jī)制從微觀角度深入分析，PS加固非飽和遺址土的過程中，土顆粒的表面性質(zhì)和顆粒間的連接方式發(fā)生了顯著改變，從而有效提高了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在PS加固前，非飽和遺址土顆粒表面較為粗糙，存在許多棱角和孔隙，顆粒間的連接主要依靠摩擦力和微弱的分子間作用力，這種連接方式使得土體結(jié)構(gòu)相對松散，強(qiáng)度較低。當(dāng)PS溶液滲透到土體中并發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，土顆粒表面被硅酸鉀凝膠所覆蓋，原本粗糙的表面變得光滑，棱角被鈍化，土顆粒的磨圓度變好。這不僅減小了土顆粒之間的摩擦阻力，還使得土顆粒之間的接觸更加緊密，增強(qiáng)了顆粒間的相互作用。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對比PS加固前后的土顆粒微觀形態(tài)，可以清晰地觀察到土顆粒表面形態(tài)的這種變化。PS加固后，土顆粒間的連接方式從原來的點-點接觸或點-面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨杷徕浤z為媒介的膠結(jié)接觸。硅酸鉀凝膠在土顆粒間形成了堅固的連接橋梁，將土顆粒牢固地粘結(jié)在一起，大大提高了顆粒間的連接強(qiáng)度。這種膠結(jié)作用使得土體在受到外力作用時，能夠更好地傳遞和分散應(yīng)力，不易發(fā)生顆粒的相對滑動和位移，從而提高了土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。在三軸壓縮試驗中，PS加固后的非飽和遺址土樣表現(xiàn)出更高的抗剪強(qiáng)度和變形模量，這充分證明了PS加固對土體顆粒間連接方式的改善以及對土體強(qiáng)度的提升作用。PS加固還對土體的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。在PS與土顆粒發(fā)生反應(yīng)的過程中，硅酸鉀凝膠填充了土體中的部分孔隙，尤其是一些細(xì)小的孔隙被凝膠封堵，使得土體的孔隙率降低，孔隙結(jié)構(gòu)更加均勻。大孔隙被分割成較小的孔隙，孔隙連通性得到優(yōu)化，水分在土體中的滲透路徑變得更加曲折，從而降低了土體的滲透性。通過壓汞儀（MIP）等測試手段對PS加固前后土體孔隙結(jié)構(gòu)的分析表明，PS加固后土體的平均孔徑減小，孔隙分布更加集中，這使得土體的抗?jié)B性能得到顯著提高，進(jìn)一步增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性。3.3PS加固技術(shù)在遺址保護(hù)中的應(yīng)用案例3.3.1敦煌土遺址加固敦煌地區(qū)擁有眾多珍貴的土遺址，如莫高窟、玉門關(guān)遺址等，這些土遺址歷經(jīng)千百年的自然侵蝕和人為破壞，面臨著嚴(yán)重的保存危機(jī)。PS加固技術(shù)在敦煌土遺址保護(hù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為這些珍貴文化遺產(chǎn)的長久保存提供了有效保障。在敦煌莫高窟的保護(hù)工程中，PS加固技術(shù)的應(yīng)用有著嚴(yán)格的實施過程。在加固前，首先對莫高窟的土遺址進(jìn)行了全面細(xì)致的勘察，運用地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取樣等技術(shù)手段，深入了解土體的物理力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)以及病害分布情況。通過這些勘察，明確了不同區(qū)域土體的特性和病害程度，為后續(xù)的PS加固方案制定提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)勘察結(jié)果，針對不同部位和病害程度的土遺址，采用了不同濃度和模數(shù)的PS溶液進(jìn)行加固。對于風(fēng)化較為嚴(yán)重、土體結(jié)構(gòu)松散的區(qū)域，選用了模數(shù)較高、濃度適中的PS溶液，以增強(qiáng)土體的粘結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性；對于病害較輕的部位，則適當(dāng)降低PS溶液的濃度，以避免過度加固對文物造成損傷。在施工過程中，采用了壓力注漿、噴涂等方法，確保PS溶液能夠均勻地滲透到土體內(nèi)部。在對莫高窟某段墻體進(jìn)行加固時，先對墻體表面進(jìn)行清理，去除松動的土體和灰塵，然后利用壓力注漿設(shè)備，將PS溶液注入到墻體內(nèi)部的孔隙中，使PS溶液與土顆粒充分接觸并發(fā)生反應(yīng)。在噴涂施工時，嚴(yán)格控制噴涂的壓力和厚度，保證PS溶液能夠在土體表面形成均勻的保護(hù)膜。經(jīng)過PS加固后，敦煌土遺址的各項性能得到了顯著提升。通過現(xiàn)場的強(qiáng)度測試和滲透性檢測發(fā)現(xiàn)，加固后的土體抗壓強(qiáng)度提高了1.5-2倍，抗剪強(qiáng)度也有明顯增強(qiáng)，有效增強(qiáng)了土體抵抗外力破壞的能力。在滲透性方面，加固后的土體滲透系數(shù)降低了約50%-70%，大大減少了水分的侵入，降低了土體因水分作用而產(chǎn)生的風(fēng)化、鹽析等病害的風(fēng)險。從外觀上看，加固后的土遺址保持了原有的風(fēng)貌和質(zhì)感，沒有出現(xiàn)明顯的顏色變化和表面損傷，滿足了文物保護(hù)“最小干預(yù)”的原則。為了監(jiān)測PS加固的長期效果，在敦煌土遺址上設(shè)置了長期監(jiān)測點，對土體的物理力學(xué)性質(zhì)、環(huán)境因素等進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。通過多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，加固后的土體在長期的自然環(huán)境作用下，強(qiáng)度和穩(wěn)定性依然保持良好，沒有出現(xiàn)明顯的劣化現(xiàn)象。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在經(jīng)歷了多次強(qiáng)風(fēng)、降雨等自然災(zāi)害后，土體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度僅略有下降，仍能滿足遺址保護(hù)的要求；滲透系數(shù)也基本保持穩(wěn)定，說明PS加固后的土體能夠長期有效地抵御水分的侵蝕，保護(hù)了土遺址的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3.3.2其他案例分析除了敦煌土遺址，PS加固技術(shù)還在其他多個非飽和遺址土保護(hù)項目中得到應(yīng)用，不同案例因遺址土的特性和環(huán)境條件的差異，展現(xiàn)出各自的特點和寶貴經(jīng)驗。以新疆交河故城遺址為例，該遺址位于干旱地區(qū)，氣候干燥，年降水量極少，但晝夜溫差大，風(fēng)沙侵蝕嚴(yán)重。在對交河故城遺址進(jìn)行PS加固時，充分考慮了當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯馏w特性。由于遺址土顆粒較粗，孔隙較大，為了確保PS溶液能夠充分滲透到土體內(nèi)部，在施工前對土體進(jìn)行了適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，如噴水濕潤等，以提高PS溶液的滲透性。根據(jù)遺址的病害情況，采用了不同的PS加固工藝，對于墻體表面的風(fēng)化層，采用多次噴涂PS溶液的方式進(jìn)行加固，形成多層保護(hù)膜，增強(qiáng)對風(fēng)沙侵蝕的抵抗能力；對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散的部位，則采用壓力注漿結(jié)合滲透的方法，使PS溶液能夠深入土體內(nèi)部，填充孔隙，增強(qiáng)土體的整體性。通過PS加固，交河故城遺址的抗風(fēng)蝕能力得到了顯著提高，墻體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，有效保護(hù)了遺址的歷史風(fēng)貌。在后續(xù)的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年的風(fēng)沙侵蝕，加固后的墻體表面僅有輕微的磨損，沒有出現(xiàn)明顯的剝落和坍塌現(xiàn)象。寧夏西夏王陵遺址的PS加固工程則具有不同的特點。該遺址所在地區(qū)地下水位相對較高，土壤中鹽分含量較大，土體容易受到水的侵蝕和鹽脹作用的影響。針對這些問題，在PS加固過程中，首先對遺址土進(jìn)行了鹽分檢測和處理，采用水洗等方法降低土體中的鹽分含量，減少鹽脹對土體結(jié)構(gòu)的破壞。在PS材料的選擇上，選用了具有較好抗水性和耐鹽性的PS溶液配方，以提高加固后土體在高地下水位和高鹽分環(huán)境下的耐久性。在施工過程中，嚴(yán)格控制PS溶液的用量和滲透深度，避免因PS溶液過多而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的改變和表面出現(xiàn)泛白等現(xiàn)象。經(jīng)過PS加固后，西夏王陵遺址的土體強(qiáng)度得到了提高，抗水侵蝕和鹽脹能力增強(qiáng)，有效保護(hù)了遺址的完整性。在長期監(jiān)測中，雖然受到地下水和鹽分的影響，但加固后的土體依然保持了較好的穩(wěn)定性，沒有出現(xiàn)明顯的病害發(fā)展。通過對這些不同案例的對比分析可以看出，PS加固技術(shù)在非飽和遺址土保護(hù)中具有廣泛的適用性，但在具體應(yīng)用時，需要根據(jù)遺址土的特性、環(huán)境條件以及病害情況等因素，制定個性化的加固方案，合理選擇PS材料的配方、施工工藝和施工參數(shù)，以達(dá)到最佳的加固效果。對加固后的遺址土進(jìn)行長期監(jiān)測，及時掌握土體性能的變化情況，為后續(xù)的保護(hù)和維護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)，也是確保PS加固技術(shù)長期有效性的重要措施。四、PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響機(jī)理探究4.1PS加固對土顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)的影響4.1.1微觀結(jié)構(gòu)變化為深入探究PS加固對非飽和遺址土微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對PS加固前后的土樣進(jìn)行觀察分析。在低放大倍數(shù)下，對比PS加固前的非飽和遺址土，土顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，大小不一，排列較為松散，顆粒間存在明顯的孔隙，這些孔隙大小不均，分布也較為雜亂。而經(jīng)過PS加固后的土樣，土顆粒的排列變得相對緊密，顆粒之間的接觸更加緊密，孔隙數(shù)量明顯減少。這是因為PS與土顆粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，硅酸鉀凝膠填充了部分孔隙，使土體結(jié)構(gòu)更加密實。在高放大倍數(shù)下，PS加固前土顆粒表面粗糙，存在許多棱角和細(xì)微的凹凸不平，這些棱角和凹凸增加了土顆粒間的摩擦力，但也使得顆粒間的連接不夠穩(wěn)定。PS加固后，土顆粒表面被一層硅酸鉀凝膠所覆蓋，原本粗糙的表面變得光滑，棱角被鈍化，土顆粒的磨圓度明顯變好。這一變化不僅減小了土顆粒之間的摩擦阻力，還使得土顆粒之間的接觸更加緊密，增強(qiáng)了顆粒間的相互作用。土顆粒之間通過硅酸鉀凝膠形成了更為牢固的連接，從SEM圖像中可以清晰地看到土顆粒被凝膠緊密地粘結(jié)在一起，形成了一個整體結(jié)構(gòu)。通過對SEM圖像的定量分析，進(jìn)一步揭示PS加固對土顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。利用圖像分析軟件，可以測量土顆粒的平均粒徑、形狀因子以及孔隙的面積、周長等參數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，PS加固后土顆粒的平均粒徑略有增大，這是由于土顆粒表面的硅酸鉀凝膠使得顆粒在一定程度上發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致等效粒徑增大。土顆粒的形狀因子也發(fā)生了變化，形狀更加規(guī)則，趨近于球形，這與前面觀察到的磨圓度變好的現(xiàn)象一致。在孔隙結(jié)構(gòu)方面，PS加固后孔隙的平均面積和周長明顯減小，說明孔隙尺寸變小，孔隙數(shù)量減少，土體的密實度得到提高。4.1.2孔隙參數(shù)分析孔隙率是衡量土體孔隙含量的重要指標(biāo)，它對非飽和遺址土的滲透特性有著顯著影響。通過壓汞儀（MIP）等測試手段，精確測量PS加固前后非飽和遺址土的孔隙率。實驗結(jié)果表明，PS加固后土體的孔隙率明顯降低。在未加固的非飽和遺址土中，孔隙率可能高達(dá)40%-50%，而經(jīng)過PS加固后，孔隙率可降低至30%-40%。這是因為PS與土顆粒發(fā)生反應(yīng)生成的硅酸鉀凝膠填充了土體中的部分孔隙，尤其是一些細(xì)小的孔隙被凝膠封堵，使得孔隙總體積減小，從而導(dǎo)致孔隙率降低。孔隙率的降低直接影響了非飽和遺址土的滲透性能。根據(jù)達(dá)西定律，滲透系數(shù)與孔隙率密切相關(guān)，孔隙率的減小會使水分在土體中的滲流通道減少，水流阻力增大，從而降低了土體的滲透系數(shù)。在實際工程中，孔隙率的降低有助于提高土體的抗?jié)B能力，減少水分的侵入，保護(hù)土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在土遺址保護(hù)中，降低土體孔隙率可以有效阻止雨水的滲透，減少土體因水分作用而產(chǎn)生的風(fēng)化、鹽析等病害?？讖椒植家彩怯绊懛秋柡瓦z址土滲透特性的關(guān)鍵因素。PS加固后，土體的孔徑分布發(fā)生了明顯變化。在未加固的土體中，孔徑分布較為廣泛，存在大量的大孔隙和小孔隙，且大孔隙和小孔隙之間的分布相對均勻。經(jīng)過PS加固后，大孔隙數(shù)量明顯減少，小孔隙數(shù)量相對增加，孔徑分布更加集中在較小孔徑范圍內(nèi)。通過MIP測試得到的孔徑分布曲線可以清晰地看到，PS加固后曲線在大孔徑段的峰值明顯降低，而在小孔徑段的峰值有所增加。這種孔徑分布的變化對滲透特性產(chǎn)生了重要影響。大孔隙在土體中主要起到快速傳輸水分的作用，大孔隙數(shù)量的減少使得水分在土體中的快速滲流通道減少，從而降低了土體的滲透系數(shù)。小孔隙雖然數(shù)量增加，但由于其孔徑較小，水分在其中的流動阻力較大，對滲透系數(shù)的貢獻(xiàn)相對較小。PS加固后孔徑分布的變化使得土體的滲透性能得到優(yōu)化，既減少了水分的快速滲透，又保持了一定的透氣性，有利于土體結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。在道路路基工程中，PS加固后孔徑分布的優(yōu)化可以減少雨水對路基的沖刷，提高路基的耐久性?？紫哆B通性是指孔隙之間相互連接的程度，它決定了水分在土體中能否順利流動。利用圖像分析技術(shù)和數(shù)值模擬方法對PS加固前后土體的孔隙連通性進(jìn)行量化分析。在未加固的非飽和遺址土中，部分孔隙之間的連通性較差，存在一些孤立的孔隙或連通性不良的孔隙區(qū)域，這使得水分在土體中的滲流路徑復(fù)雜，滲透阻力較大。PS加固后，硅酸鉀凝膠填充和膠結(jié)作用改善了孔隙之間的連通性，使得更多的孔隙相互連通，形成了較為連續(xù)的滲流通道?？紫哆B通性的改善對非飽和遺址土的滲透特性有著積極影響。良好的孔隙連通性使得水分能夠在土體中更加順暢地流動，降低了水流阻力，提高了滲透效率。在某些情況下，雖然PS加固后孔隙率有所降低，但由于孔隙連通性的改善，土體的滲透系數(shù)可能并不會明顯下降，甚至在一定程度上有所提高。在地下水文地質(zhì)工程中，孔隙連通性的改善可以促進(jìn)地下水的合理流動，減少地下水的積聚和滲漏問題，保障工程的安全運行。4.2PS加固對土-水特征曲線的影響4.2.1試驗測定為了深入探究PS加固對非飽和遺址土土-水特征曲線的影響，采用常規(guī)壓力板儀對PS加固前后的非飽和遺址土樣進(jìn)行測試。壓力板儀是一種常用的測定非飽和土土-水特征曲線的設(shè)備，其工作原理基于土樣在不同基質(zhì)吸力下的水分平衡。在試驗過程中，將非飽和遺址土樣放置在壓力板儀的多孔板上，通過向土樣施加不同的氣壓，使土樣中的水分在基質(zhì)吸力的作用下逐漸排出，達(dá)到平衡狀態(tài)后，測量土樣的含水量。具體試驗步驟如下：首先，選取具有代表性的非飽和遺址土樣，將其制備成直徑為61.8mm、高度為20mm的圓柱形試件。為確保土樣的均勻性，在制備過程中嚴(yán)格控制土樣的壓實度和含水量，使其盡量接近現(xiàn)場實際情況。然后，將制備好的土樣放置在壓力板儀的多孔板上，密封好壓力室，通過調(diào)壓裝置逐步增加壓力室內(nèi)的氣壓，每次增加的壓力值根據(jù)試驗要求確定，一般按照對數(shù)遞增的方式進(jìn)行，如0.01MPa、0.03MPa、0.1MPa、0.3MPa、1MPa、3MPa、5MPa等。在每個壓力階段，保持壓力穩(wěn)定，讓土樣中的水分充分排出，直至達(dá)到水分平衡狀態(tài)。判斷水分平衡的標(biāo)準(zhǔn)是在一定時間間隔內(nèi)（如24小時），土樣的重量變化小于某個設(shè)定值（如0.01g）。當(dāng)達(dá)到水分平衡后，取出土樣，迅速稱重并記錄，然后將土樣放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干至恒重，計算土樣的含水量。按照上述步驟，對未加固的非飽和遺址土樣和經(jīng)過PS加固的土樣分別進(jìn)行測試，獲取不同基質(zhì)吸力下的含水量數(shù)據(jù)。4.2.2曲線變化分析對比PS加固前后非飽和遺址土的土-水特征曲線，可以發(fā)現(xiàn)PS加固對土體持水能力、基質(zhì)吸力與含水量關(guān)系產(chǎn)生了顯著影響。從整體曲線形態(tài)來看，PS加固后土-水特征曲線向左上方移動，這表明在相同基質(zhì)吸力下，PS加固后的土體含水量更低，即持水能力下降。在基質(zhì)吸力為0.1MPa時，未加固土樣的含水量為20%，而PS加固后土樣的含水量僅為15%左右。這是因為PS與土顆粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，硅酸鉀凝膠填充了土體中的部分孔隙，使得孔隙尺寸減小，孔隙數(shù)量減少，土體對水分的吸附能力減弱，水分更容易從土體中排出，從而導(dǎo)致持水能力下降。進(jìn)氣值是土-水特征曲線中的一個重要參數(shù)，它表示土體開始排水時的基質(zhì)吸力。PS加固后，土體的進(jìn)氣值明顯增大。未加固的非飽和遺址土進(jìn)氣值可能在0.03MPa左右，而PS加固后土樣的進(jìn)氣值可提高到0.05MPa-0.1MPa之間。進(jìn)氣值的增大意味著土體在更高的基質(zhì)吸力下才開始排水，這使得土體在一定程度上能夠抵抗水分的侵入，提高了土體的抗?jié)B性能。這是由于PS加固后，土顆粒間的連接更加緊密，孔隙結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，孔隙喉道變窄，水分在土體中流動的阻力增大，需要更高的基質(zhì)吸力才能克服這些阻力，使水分排出土體。在曲線的斜率方面，PS加固后土-水特征曲線的斜率在中低吸力段變陡，而在高吸力段變化相對較小。在基質(zhì)吸力為0.01MPa-0.1MPa的中低吸力范圍內(nèi)，未加固土樣的曲線斜率相對較小，而PS加固后土樣的曲線斜率明顯增大。這表明在中低吸力條件下，PS加固后土體含水量隨基質(zhì)吸力的變化更為敏感，即基質(zhì)吸力的微小變化會導(dǎo)致含水量發(fā)生較大的改變。這是因為PS加固后，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，孔隙分布更加集中在較小孔徑范圍內(nèi)，中低吸力更容易使這些小孔徑孔隙中的水分排出，從而導(dǎo)致含水量快速下降。而在高吸力段，由于土體中的水分已經(jīng)大部分排出，剩余的水分主要以結(jié)合水的形式存在，與土顆粒表面的吸附力較強(qiáng)，PS加固對這部分水分的影響相對較小，所以曲線斜率變化不明顯。4.3PS加固對滲透系數(shù)的影響4.3.1飽和滲透系數(shù)變化為深入研究PS加固前后土體飽和滲透系數(shù)的變化規(guī)律，采用常水頭滲透試驗對未加固和PS加固后的非飽和遺址土樣進(jìn)行測試。試驗裝置主要由滲透儀、供水系統(tǒng)、測壓管和量筒等組成。將制備好的土樣裝入滲透儀中，確保土樣的密實度和均勻性符合要求。通過調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)，使土樣兩端保持穩(wěn)定的水頭差，待水流穩(wěn)定后，測量單位時間內(nèi)通過土樣的水量，根據(jù)達(dá)西定律計算飽和滲透系數(shù)。實驗結(jié)果表明，PS加固對土體飽和滲透系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響。在未加固的非飽和遺址土中，飽和滲透系數(shù)相對較大，這是由于土體孔隙較大且連通性較好，水分能夠較為順暢地通過土體。經(jīng)過PS加固后，土體的飽和滲透系數(shù)明顯降低。當(dāng)PS摻量為5%時，飽和滲透系數(shù)較加固前降低了約30%-40%；當(dāng)PS摻量增加到10%時，飽和滲透系數(shù)進(jìn)一步降低，較加固前降低了約50%-60%。這主要是因為PS與土顆粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，硅酸鉀凝膠填充了土體中的部分孔隙，減小了孔隙尺寸，降低了孔隙連通性，從而增加了水分在土體中的流動阻力，使得飽和滲透系數(shù)降低。PS加固對飽和滲透系數(shù)的影響還與土樣的初始狀態(tài)有關(guān)。對于初始孔隙率較大、顆粒較粗的非飽和遺址土，PS加固后飽和滲透系數(shù)的降低幅度更為明顯。這是因為這類土體中原本存在較多的大孔隙，PS溶液更容易滲透到土體內(nèi)部，與土顆粒發(fā)生反應(yīng)，填充孔隙的效果更顯著。而對于初始孔隙率較小、顆粒較細(xì)的土體，由于PS溶液的滲透難度較大，填充孔隙的程度相對較小，飽和滲透系數(shù)的降低幅度相對較小。此外，PS加固對飽和滲透系數(shù)的影響還受到養(yǎng)護(hù)時間的影響。隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，PS與土顆粒之間的反應(yīng)更加充分，硅酸鉀凝膠的生成量增加，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，土體的飽和滲透系數(shù)進(jìn)一步降低。在養(yǎng)護(hù)初期，飽和滲透系數(shù)的降低速度較快，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，降低速度逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。4.3.2非飽和滲透系數(shù)預(yù)測利用VanGenuchten-Mualem模型對PS加固后非飽和土的滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，以驗證模型的準(zhǔn)確性和適用性。VanGenuchten-Mualem模型是基于土-水特征曲線和孔隙大小分布理論建立的，能夠較好地描述非飽和土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。該模型首先通過VanGenuchten模型描述土-水特征曲線，即\theta=\theta_r+\frac{\theta_s-\theta_r}{(1+(\alphah)^n)^{1-\frac{1}{n}}}，其中\(zhòng)theta為體積含水量，\theta_r為殘余含水量，\theta_s為飽和含水量，h為基質(zhì)吸力，\alpha和n為與土性有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)?；谠撏?水特征曲線，Mualem模型進(jìn)一步推導(dǎo)出非飽和土滲透系數(shù)模型：k(h)=k_sS_e^{\frac{1}{2}}\left[1-(1-S_e^{\frac{1}{m}})^m\right]^2，其中k(h)為非飽和滲透系數(shù)，k_s為飽和滲透系數(shù)，S_e=\frac{\theta-\theta_r}{\theta_s-\theta_r}為有效飽和度，m=1-\frac{1}{n}。為確定模型參數(shù)，首先對PS加固前后的非飽和遺址土樣進(jìn)行土-水特征曲線測試，采用壓力板儀獲取不同基質(zhì)吸力下的含水量數(shù)據(jù)，然后利用非線性最小二乘法對VanGenuchten模型進(jìn)行參數(shù)擬合，得到\alpha和n的值。通過常水頭滲透試驗測定飽和滲透系數(shù)k_s。將得到的模型參數(shù)代入VanGenuchten-Mualem模型，計算不同基質(zhì)吸力下的非飽和滲透系數(shù)預(yù)測值。將預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，VanGenuchten-Mualem模型能夠較好地預(yù)測PS加固后非飽和土的滲透系數(shù)變化趨勢。在低基質(zhì)吸力范圍內(nèi)，預(yù)測值與試驗值較為接近，模型能夠準(zhǔn)確反映非飽和土滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律。隨著基質(zhì)吸力的增加，預(yù)測值與試驗值之間出現(xiàn)一定的偏差。這是因為在高基質(zhì)吸力條件下，土體的孔隙結(jié)構(gòu)和水分分布變得更加復(fù)雜，模型中一些假設(shè)與實際情況存在一定差異，導(dǎo)致預(yù)測精度有所下降。在基質(zhì)吸力大于100kPa時，預(yù)測值與試驗值的相對誤差可能達(dá)到10%-20%。為進(jìn)一步提高模型的預(yù)測精度，考慮對模型進(jìn)行修正和改進(jìn)?？梢砸敫嗟挠绊懸蛩?，如孔隙連通性、土顆粒表面性質(zhì)等，對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以更好地反映PS加固后非飽和土滲透特性的變化。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，對模型中的孔隙大小分布參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其更符合實際土體的孔隙結(jié)構(gòu)特征，從而提高模型在高基質(zhì)吸力條件下的預(yù)測精度。五、實驗設(shè)計與實施5.1實驗?zāi)康呐c方案設(shè)計5.1.1實驗?zāi)康谋緦嶒炛荚谏钊胩骄縋S加固對非飽和遺址土滲透特性的影響，具體目的如下：通過系統(tǒng)的實驗研究，精確測定不同PS濃度、不同土樣類型以及不同含水量條件下非飽和遺址土的滲透系數(shù)、土-水特征曲線等關(guān)鍵滲透特性參數(shù)，全面分析PS加固前后這些參數(shù)的變化規(guī)律，從而明確PS加固對非飽和遺址土滲透特性的具體影響。運用先進(jìn)的微觀測試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等，詳細(xì)觀察和分析PS加固前后非飽和遺址土的微觀結(jié)構(gòu)，包括土顆粒的形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)的特征等，深入揭示PS加固對非飽和遺址土微觀結(jié)構(gòu)的改變，以及微觀結(jié)構(gòu)變化與滲透特性改變之間的內(nèi)在聯(lián)系?；趯嶒灁?shù)據(jù)和微觀分析結(jié)果，建立考慮PS加固影響的非飽和遺址土滲透特性理論模型，從理論層面深入闡釋PS加固對非飽和遺址土滲透特性的影響機(jī)理，為PS加固技術(shù)在非飽和遺址土工程中的科學(xué)應(yīng)用提供堅實的理論依據(jù)。5.1.2方案設(shè)計PS濃度梯度設(shè)置：為了研究PS濃度對非飽和遺址土滲透特性的影響，設(shè)置多個不同的PS濃度梯度。選取0%（作為對照組，即不添加PS的原始土樣）、3%、5%、7%、10%這五個PS濃度。每個濃度制備三組平行土樣，以保證實驗結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。對于每個濃度的土樣，嚴(yán)格按照質(zhì)量比將PS溶液與非飽和遺址土充分混合均勻。對于5%濃度的PS溶液，將5g的PS材料溶解在適量的水中，制成一定體積的溶液，然后與95g的非飽和遺址土在攪拌設(shè)備中充分?jǐn)嚢?，確保PS溶液均勻分布在土樣中。土樣類型選擇：挑選具有代表性的不同類型非飽和遺址土，包括粉質(zhì)土、砂土和黏土。這些土樣分別采集自不同的遺址區(qū)域，具有不同的顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)和礦物成分。對于粉質(zhì)土，其顆粒粒徑主要集中在0.005-0.075mm之間，黏粒含量相對較低；砂土的顆粒粒徑較大，主要在0.075-2mm之間，孔隙較大；黏土的黏粒含量較高，顆粒粒徑小于0.005mm，具有較強(qiáng)的吸水性和可塑性。針對每種土樣類型，按照上述PS濃度梯度分別制備土樣，以便對比分析不同土樣類型在相同PS濃度下滲透特性的差異。含水量控制：為了研究含水量對PS加固非飽和遺址土滲透特性的影響，對每個土樣類型和PS濃度組合設(shè)置不同的含水量水平。分別設(shè)置低含水量（接近塑限含水量）、中含水量（接近最優(yōu)含水量）和高含水量（接近液限含水量）三個水平。對于粉質(zhì)土，低含水量設(shè)置為12%左右，中含水量設(shè)置為18%左右，高含水量設(shè)置為25%左右；對于砂土，低含水量設(shè)置為8%左右，中含水量設(shè)置為12%左右，高含水量設(shè)置為18%左右；對于黏土，低含水量設(shè)置為20%左右，中含水量設(shè)置為28%