基于土壤水特征曲线（SWCC）的可持续堤坝材料工程特性评估与优化研究

本研究针对Guacha灌排项目堤坝建设中远距离取料成本高、材料性能不达标的问题，通过将当地高塑性黏土（CH）与低塑性粉土（ML）按不同比例混合，利用压力板仪测定土壤水特征曲线（SWCC），结合Fredlund & Xing和Van Genutchen模型拟合参数，优化了60%黏土+40%粉土（C-3）的混合比例。该混合料显著提升了抗剪强度（τus达145.8 kPa）和渗透性（Kw为3.55×10-5 m/s），成本降低67%，为干旱区堤坝工程提供了经济高效的本地化材料解决方案。

　　

在干旱与半干旱地区，地下水位通常远低于地表，非饱和土（unsaturated soils）广泛存在并成为各类土木工程的关键材料。尤其在埃塞俄比亚等地区，传统饱和土力学难以应对非饱和土带来的独特挑战，如水分变化导致的体积收缩、开裂和强度不稳定等问题。Guacha灌排项目需大量填筑材料用于堤坝建设，但当地推荐料场距离项目区42公里，运输成本高昂且材料性能（如高塑性黏土易开裂、粉土缺乏黏结性）无法满足要求。如何利用本地易得材料优化工程特性，同时兼顾成本与环境可持续性，成为亟待解决的难题。

为此，Habtamu Sewnet Alehgn等人开展了一项针对非饱和土工程特性的系统研究，通过混合本地黏土与粉土，结合土壤水特征曲线（Soil Water Characteristics Curve, SWCC）测试与模型分析，成功开发出性能优异且成本大幅降低的堤坝材料配方。该研究发表于《Heliyon》，为干旱区水利工程提供了重要的理论与实践依据。

研究采用的关键技术方法包括：从埃塞俄比亚Dega Damot wereda的Guacha项目区采集黏土（1D、1D）和粉土（Shini-1、Shini-1）样本；通过室内试验测定基本指标（含水率、比重、阿太堡界限、颗粒分析）和压实特性；使用压力板仪（ASTM D6836）测定SWCC离散点；利用MATLAB R2021a拟合Fredlund & Xing (1994)和Van Genutchen (1980)模型参数；通过直接剪切试验获取饱和抗剪强度参数，并基于SWCC预测非饱和抗剪强度和渗透性函数。

3.1. Index property

试验结果表明：原始黏土（1D）为高塑性黏土（CH，液限LL>60%，塑性指数PI>35），粉土（Shini-1）为低塑性粉土（ML，PI<7）。将黏土与粉土按5种比例混合（C-1至C-5）后，混合土分类变为中高塑性粉质黏土（MH）或粉土（ML），其中C-3（60%黏土+40%粉土）的指标（LL=52%，PI=19.2%）与推荐材料（LL=53.1%，PI=19.5%）高度接近。

3.2. Pressure plate test results and fitting the gravimetric SWCC

压力板试验测得不同吸力下（33–1400 kPa）的 gravimetric water content（重力含水率），并通过Fredlund & Xing模型优化参数（a_f, n_f, m_f, ψ_r）。结果显示：1D黏土的a_f=89.8 kPa（高进气值），n_f=2.7（孔隙均匀）；Shini-1粉土的a_f=30.31 kPa（低进气值），m_f=1.334（高残余含水率）；C-3混合土的参数与推荐材料几乎一致，表明其SWCC行为相似。

3.3. Van Genutchen, (1980) model fitting parameters

Van Genutchen模型参数进一步验证了材料特性：C-3的a_vg=0.03, n_vg=0.321, m_vg=1.08，与推荐材料（a_vg=0.031, n_vg=0.321, m_vg=1.082）高度吻合，表明混合土具有平衡的水分保持与排水能力。

3.4. Volume change of soils for soil specimen

通过收缩曲线与SWCC结合分析，发现C-3体积变化仅2%（远低于纯黏土），证明混合有效抑制了胀缩行为，适用于需稳定体积的堤坝结构。

3.5. Saturated shear strength

直接剪切试验测得饱和抗剪强度参数，用于后续非饱和强度预测。

3.6. Prediction of unsaturated shear strength functions

基于Fredlund et al. (1996)模型，以归一化含水率（ω/ω_s）^k和吸力计算非饱和抗剪强度（τ_us）。结果显示：在1400 kPa吸力下，C-3的τ_us=145.8 kPa，接近推荐材料的144.4 kPa，显著高于纯黏土（95.2 kPa）和纯粉土（97.3 kPa），证明混合提升了高强度吸力区的稳定性。

3.7. Prediction of unsaturated soil permeability

通过Van Genutchen模型预测渗透性：C-3的饱和渗透系数K_s=5.4×10^-5 m/s，在1400 kPa吸力下非饱和渗透系数K_w=3.55×10^-5 m/s，与推荐材料（K_w=3.59×10^-5 m/s）几乎一致，表明混合土具备良好的排水性能，符合堤坝防渗与排水双重需求。

研究结论表明：通过将本地高塑性黏土与粉土以60:40比例混合，可制备出工程特性（分类、SWCC、抗剪强度、渗透性）与远端推荐材料高度一致的堤坝填料，且成本降低67%。该成果不仅解决了Guacha项目的材料短缺问题，更为非饱和土力学在干旱区工程中的应用提供了可靠方法（如SWCC模型拟合、强度与渗透性预测），为类似地区的可持续建设提供了经济高效的本土化解决方案。