在非饱和间隙级配土中粒子迁移过程的实验表征：降雨入渗下的密度依赖性模式

为什么降雨会悄然削弱地基

当我们想到侵蚀时，常会联想到河流开凿峡谷或风暴剥蚀表土。但一些最危险的侵蚀是看不见的：雨水渗入地下，悄悄地重新排列土粒。这种隐蔽的搅动会削弱边坡、堤坝和围堤，可能诱发滑坡等灾害。本文所述的研究逐粒检视了这一过程，提出了一个简单但关键的问题：土壤的致密程度可能决定降雨是平缓通过，还是慢慢将地基撕裂。

透视一种特殊土壤

研究者将注意力集中在“间隙级配”土上——这类混合土中，大颗粒构成骨架，而大量更细的颗粒填充在间隙中，中间粒径的颗粒很少。这种结构在许多人造回填和天然坡面中常见。在此类土体中，流经孔隙的水可以携带细颗粒向下迁移，这一过程称为内部侵蚀或内洗脱（suffusion）。随着时间推移，这会掏空土体、降低其强度并为破坏埋下隐患。弄清这种现象何时及如何发生，对于在多雨环境中保障边坡、道路、铁路和堤坝的安全至关重要。

在透明土柱中进行降雨试验

为了观察隐藏的迁移，团队搭建了一个高而透明的圆柱体，填充精心配比的砂—黏土混合物，并用校准喷淋器在其上方人工降雨。他们进行了九组不同试验，组合了三种土壤“致密度”水平（干密度为1.7、1.8和1.9克/立方厘米）与三种恒定降雨强度（60、90和120毫米/小时）。在两小时的人工降雨后，他们将土柱切成若干层，测量每一深度处粗、中、细各级粒径的残余量。由此可以重建入渗过程中粒子在柱内向上或向下迁移的情况。

致密度如何改变颗粒的命运

结果显示，土壤致密程度比降雨强度更为重要。在松散和中等致密度的土壤中，中等粒径颗粒（约2毫米到0.075毫米之间）被入渗水流强烈动员。它们的质量—深度曲线常呈现一或两个明显峰值，表示这些颗粒倾向于在表层下方聚集成带。在最致密的土壤中则相反，颗粒几乎不动。曲线趋于近似直线或仅表现出向表面偏斜的形态，表明由粗颗粒构成的锁定骨架几乎无可迁移空间，无法随水流搬运颗粒。

四种简单的隐蔽变化模式

通过比较全部九种试验条件，作者将竖向粒度分布归纳为四种易于识别的模式。“m形”曲线表现为在不同深度有两个富集区，而“n形”曲线则表现为单一隆起的颗粒聚集区。近似直线表示更均匀、无明显迁移的状态，而“钩形”则表明仅靠近表面处有富集。这些模式反映了流动水推动颗粒迁移与颗粒间内部接触网络（或力链）抗拒重排之间的拉锯。中等粒径颗粒在低至中等致密度下最易迁移，而最细颗粒仅在孔隙既不太大也不太狭窄的中间致密度下出现富集。

从实验柱到更安全的边坡

对非专业读者关心的滑坡或堤坝失稳问题，核心信息很直接：当间隙级配土在表层被压至高密度时，其对降雨驱动的内部侵蚀的抵抗力大幅增强。相反，松散或中等压实的填土允许雨水在深处进行颗粒筛分和迁移，逐步削弱稳定性，即便从外观上坡面没有明显变化。本文识别的四种分布模式为工程师解读钻孔样品并评估内部侵蚀风险提供了简单的诊断性语言。就实际操作而言，真正把表层土壤压实到位——而不仅仅是塑形和覆盖——可以是防止降雨从内部悄然削弱地基的最有效措施之一。

引用: Shu, Z., Teng, H., Li, X. et al. Experimental characterization of particle migration regimes in unsaturated gap-graded soils: density-dependent patterns under rainfall infiltration. Sci Rep 16, 8816 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34315-6

关键词: 降雨诱发侵蚀, 内洗脱（suffusion）, 间隙级配土, 边坡稳定性, 土壤压实