干濕循環(huán)下重塑黃土水分遷移試驗

葉萬軍，劉 寬，董西好，李 倩，王 巖

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中國鐵路設計集團有限公司 工程經濟設計研究院，天津 300124)

0 引 言

黃土地區(qū)溝谷縱橫，高填方工程改變地下原有給排水體系，土體長期處于干濕循環(huán)狀態(tài)引發(fā)系列工程病害，影響上層建筑的安全使用。

20世紀初至今，國內外學者一直致力于研究黃土水分遷移問題，取得了豐碩的成果[1-2]。Harlan.R.L.等早先認為土體內水分遷移過程是基于熱量交換，驅動力是土水勢梯度[3]；PHAM H等對干濕循環(huán)下土-水特征曲線的滯回特性進行系統(tǒng)性理論研究[4-5]；DEB SANJIT K等研究了非飽和沙土中液態(tài)水和水蒸氣耦合條件下的熱傳遞規(guī)律[6]；HEITMAN J L等試驗研究土體在水-熱耦合傳遞環(huán)境下瞬態(tài)溫度變化特征[7]；Li X等改進試驗裝置，開展土體潤濕前水分遷移試驗，獲取非飽和土水力傳導率[8]；葉萬軍等在溫度梯度條件下對重塑黃土進行了水分遷移試驗，分析不同因素下黃土內水分變化的機理[9-10]；趙明華等根據非飽和土毛細作用模型、多孔介質理論及水土特征曲線計算了毛細作用導致的路基土含水率的變化[11]；肖澤岸等對土體在凍結過程中內部鹽分場對水分重分布的影響[12]；宋存牛等基于Harlan模型及Darcy定律建立了凍結環(huán)境下的風積沙土路基水熱耦合遷移模型[13]；黃大中等采用不同固結理論分析了大面積軟土層地下水位下降時引起的二次固結問題[14]；王鐵行等系統(tǒng)研究了不同含水率對黃土體中氣、液態(tài)水遷移速度及遷移量的影響[15-17]；楊柳悅等試驗研究了黃土水分運動參數對結構性參數的影響及潛蝕機理[18]；張輝在凍融環(huán)境下通過黃土體直剪試驗得到了凍融循環(huán)次數與土體黏結力之間的指數減弱規(guī)律[19]；高江平等基于土體水分再分配原理，采用離心法分析了不同初始條件下路基土的水分特征曲線[20]；李寧等對凍土中溫度、水分、變形三場耦合問題的微分控制方程進行細致研究，并開發(fā)了適用性較好的多場耦合數值分析軟件[21]；毛雪松等采用濾紙法分析低液限粉土土體水分特征曲線，基于Van Genuchten模型對其進行擬合研究[22]；陶夏新等分析水分遷移試驗后裂縫擴展、水分積聚等宏微觀現象，揭示凍融對土體溫度場及水分場的潛在影響規(guī)律[23]。在此階段，該領域研究成果集中在多種不同初始條件對黃土水分遷移的影響，考慮特殊外界環(huán)境對重塑黃土水分遷移影響的研究較為缺乏，且對于干濕循環(huán)這一特定限定環(huán)境下重塑黃土的水分遷移規(guī)律的研究頗少，也暫缺完整性的考慮干濕循環(huán)、初始干密度、初始含水率這3種因素對土體水分遷移影響的內在規(guī)律。

鑒于此，取樣于延安某典型黃土填方區(qū)現場，開展不同因素下干濕循環(huán)水分遷移試驗，分析試驗前后土體含水率的變化，測定了干濕循環(huán)、干密度和含水率等因素對黃土水分遷移的影響。為黃土地區(qū)高填方工程的選址、建設及運營過程中防災減災工作提供較為科學的理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗土樣

試驗土壤取自延安某典型高填方區(qū)，黃褐色、略濕、相對均勻，含少量砂礫、蝸牛殼等雜質。測試了土樣進行基本物理力學指標，結果見表1.

表1 黃土樣物理性質指標Table 1 Index of physical properties of loess samples

1.2 試驗設備

試驗采用課題組開發(fā)的YXDT型土壤水分變化試驗儀，儀器設備如圖1所示，(a)為濕度變化測試儀連接圖，(b)，(c)分別為土壤濕度傳感器及土壤水分收集系統(tǒng)。

圖1 土體濕度變化測試系統(tǒng)Fig.1 Soil moisture change test system

1.3 試驗方案

制備5組土樣，對土樣S2，S3進行干濕循環(huán)試驗，對土樣S1，S4，S5進行增濕試驗，試驗方案見表2.

1.3.1 增濕過程

1)用2 mm篩孔對土樣篩分，配制目標含水率梯度的土樣，靜置5 d保證內部水分均勻；

表2 土樣及試驗條件Table 2 Sample and test conditions

2)計算每層所需土的質量，均勻裝入樣筒內，每層擊實土層后在其頂部劃一個小土槽。植入水分傳感器，再將整個土層表面刮毛便于銜接，重復該步驟，共12層；

3)連接水源筒、恒定水位采集裝置及恒定水位管、恒定進水口，檢查無誤后進行試驗，每20 min采集一次數據。

1.3.2 減濕過程

1)減濕過程在室外進行，增濕完成后，將樣筒放置于室外暴曬，傍晚再將樣筒放回室內；

2)室外溫度較高，每2 h測量并記錄一次含水率值，以實測含水率達到或接近土體初始含水率值視為減濕過程結束。

2 試驗結果及分析

2.1 減濕試驗結果分析

圖2反映土樣S2，S3兩次減濕的整個過程，直觀看出：兩次減濕過程中，兩組土樣體積含水率表現為遞減狀態(tài)，隨距底板高度分布規(guī)律基本一致，表現為隨著距底板高度的增大而逐漸減小，但減小范圍不大，這與水分遷移后土體終態(tài)體積含水率分布規(guī)律大致相同。由此可見，干濕循環(huán)過程中，土樣處于穩(wěn)定狀態(tài)時，含水率在隨距底板高度增加呈現出小范圍的減小；在土樣除濕過程中，含水率分布曲線隨時間向左移動。相鄰曲線間距出現差異是與測定含水率前一天的天氣有關，氣溫高則減濕速度快，曲線表現為向左平移增大；土樣S2兩次減濕用時分別21，18 d；土樣S3分別用時16，13 d，減濕過程時間明顯少于土樣S2.原因主要是兩組土樣初始含水率不同，土樣S3體積含水率只需要降低到27.73%，S2則需減到20.73%；從數據來看2個土樣初次減濕均比二次減濕持續(xù)時間長，表現在曲線疏密程度上，即是初次減濕過程含水率分布曲線比二次減濕過程更為密集，對比圖2中(a)、(b)曲線發(fā)現，(a)相鄰曲線之間的最大距離大約在第1、2天和第14，15 d之間，并且曲線間距明顯小于(b)中第3天、第4天和第10天、第11天的，對比圖2(c)和(d)也可看出第二次減濕過程最大相鄰曲線間距較大。大量試驗數據證明二次減濕過程中土樣持水性較差，減濕過程更易進行，也證實了土樣的持水能力隨著干濕循環(huán)次數的增加而減弱。

圖2 土樣除濕過程中含水率的分布Fig.2 Distribution of moisture content in soil dehumidification process

減濕結束，樣筒內壁附著小水珠，暴曬使得水分脫離了土體后被樣筒尺寸限制未能從頂部全部蒸發(fā)。觀察樣筒上表面，減濕后，土體顏色較淺于減濕之前，偏干，局部有微小裂紋。減濕過程中，上部土體中的水分不斷蒸發(fā)為氣態(tài)，下部水分向上遷移，遷移速度有限，無法及時補充，導致樣筒土體水分徑向分區(qū)分布，上部土體含水率較小。靜置后，土體水分不斷向上遷移，上部含水率不斷升高，上部土體顏色逐漸恢復到之前的黃褐色。

圖3 土樣體積含水率隨高度變化關系Fig.3 Relationship between volumetric water content and height of soil samples

如圖3所示，土樣除濕24 h后，土體含水率隨樣筒高度變化很大，由于除濕后期的含水率低，頂部土體干燥和破裂。在樣筒底部至40 cm高度范圍內，含水率隨高度有小范圍的減小現象，幅度為45%～40%之間；但在40～60 cm范圍內，含水率急劇減小，即反映出暴曬過程中上部土體中的水分快速蒸發(fā)到空氣中，下部土壤中的水僅產生少量向上遷移。靜置后，土體中水分隨高度變化不大，含水率相對均勻。究其原因，靜置之后，土體下部水分在基質吸力的作用下快速向上遷移，補充上部土體缺失的水分。經過一天暴曬及靜置，樣筒中任意高度處土體的含水率均減小。但因樣筒尺寸有限，土體中水的蒸發(fā)量不高，整個減濕過程受天氣情況、目標含水率及土樣初始干密度等因素的綜合影響，要經歷約18 d的暴曬循環(huán)才能完成。

2.2 干濕循環(huán)對土體水分遷移的影響

圖4(a)反映了S2土樣3次加濕期間濕潤峰推進距離與時間的關系，在3次增濕過程中濕潤峰隨時間的推進規(guī)律基本相同，整體分為2個階段：初始為快速遷移階段，該階段濕潤峰推進距離隨時間呈線性增大。初次增濕過程中，濕潤峰用時4 h推進22.6 cm，濕潤峰上升15 cm，水分遷移速度約為5.65 cm/h；第2次增濕過程本階段用時6 h，上升17.6 cm，水分遷移速度約為3.52 cm/h；第3次增濕過程此階段濕潤峰用時5 h，上升12.5 cm，水分遷移速度約為2.50 cm/h.在此階段濕潤峰推進距離表現為：第1次加濕過程>第2次加濕過程>第3次加濕過程；對應的水分遷移速度：第1次加濕過程>第2次加濕過程>第3次加濕過程。其次進入緩慢遷移階段：此階段，濕潤峰隨時間的變化曲線呈外凸狀態(tài)，即水分遷移速度隨時間逐漸減慢。究其原因：濕潤峰上移越高，水分的重力勢就越大，當基質勢與重力勢之差不斷減小直至相同時，遷移速度也不斷減慢直至停止。

圖4 增濕過程濕潤峰推進距離與時間關系Fig.4 Relationship between wetting peak propulsion distance and time in three humidification processes

圖4(b)為土樣S3 3次干濕循環(huán)過程中濕潤峰推進距離與時間的規(guī)律，曲線可分為快速變化和緩慢變化2個階段。明顯看出，相同時間內，水分遷移速度和濕潤峰爬升高度均表現為：初次加濕>2次加濕>3次加濕。與土樣S2規(guī)律大致相同，整體來看，土樣S2、土樣S3 3次增濕過程中濕潤峰推進距離與時間關系曲線呈上疏下密狀態(tài)。

縱觀3次增濕過程，相同時間內，隨著干濕循環(huán)次數的增加，濕潤峰推進距離減小，即水分遷移速度減慢。分析原因：干濕循環(huán)直接影響了土體的水分分布，也間接改變了土顆粒間的粘結力及孔隙的大小、排列方式及貫通性。

2.3 初始干密度對土體水分遷移的影響

圖5顯示3組土樣在不同時間含水率與距底板高度的關系。整體對比S4，S2，S5 3組土樣在不同時刻含水率隨距底板高度的變化關系，不難發(fā)現：3組土樣的水分遷移規(guī)律基本一致，即在試驗過程中，隨著時間的推移，3組土樣的濕潤峰面逐漸由樣筒底部向頂部遷移，土體含水率也從底部逐漸增加。曲線出現橫向折線表明此時土體處于含水率變化較快的位置，折線以下土體水分遷移已經基本完成，折線上部土體尚未受到水分遷移的影響，同時也可以看出折線呈現出下疏上密的現象，說明開始時水分遷移較快，后期隨距底板高度增大，水分遷移速度逐漸變慢。對比圖5中各關系圖線不難發(fā)現，前5 h土樣S5濕潤峰推進高度在20 cm左右，土樣S2約為25 cm，而土樣S4達到了30 cm；在水分遷移30 h時，土樣S5濕潤峰恰好超過55 cm，土樣S2基本達到最頂部，土樣S4在第25 h時達到頂部?？梢娡翗覵4水分遷移速度最快，土樣S2次之，土樣S5最小。針對初始干密度對水分遷移速度的影響規(guī)律研究結論并不統(tǒng)一，有研究中指出一般粗粒土隨壓實度增加，毛細水增加率變大，而粉質粘土規(guī)律相反[24]?？梢钥闯鏊窒蛏线w移的速度與土體的顆粒級配有直接關系，不同地區(qū)、不同類型的土表現出來的水分遷移規(guī)律有較大差異。

圖5 不同干密度土樣濕潤峰推進距離與時間關系Fig.5 Relationship between wetting peak advancing distance and time in different dry density soil samples

圖6 不同測點終態(tài)體積含水率值Fig.6 Final measurement volumetric moisture content of different measuring points

圖6顯示3組土樣最終體積含水率分布，最終體積含水率隨距底板高度的增大而降低，但是減小幅度并不大，約為40%～45%；究其原因：土體初始干密度越大，土顆粒越緊密，土顆粒之間的孔隙越密實，土顆粒間的靜電力在范德瓦爾斯力下更明顯，則只能收集更少的水分。圖7為不同干密度土樣分別在初次增濕過程中濕潤峰推進距離與時間的關系。圖形表示為相同時刻初始干密度越小的土樣，濕潤峰潤濕距離更大，可以看出，土樣的初始干密度與水分遷移率呈負相關。重塑黃土壓實度與初始干密度二者密不可分，微觀層面來講，土體顆粒間的孔隙越小，土中基質吸力一定程度上增大，但整體上受到土體間導水率、擴散率、粘結作用等綜合影響更為顯著，水分遷移速度整體上表現為先減小后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

圖7 不同干密度土樣濕潤峰推進距離與時間關系Fig.7 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of different dry density soil samples

2.4 初始含水率對土體水分遷移的影響

圖8為S1，S2，S3土樣在初次增濕過程中不同時刻不同高度處土體體積含水率值。

圖8 不同含水率土樣濕潤峰推進距離與時間關系Fig.8 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of soil samples with different water contents

從圖8可以看出，試驗過程中，水分不斷向上遷移，所得折線呈現下疏上密的狀態(tài)。土樣S3最快，約為25 h.其次為土樣S2，用時約為32 h，土樣S1最緩慢，在第35 h時3組土樣水分遷移達到最頂端。分析圖9可得，高度不同的測點終態(tài)體積含水率呈現出隨距底板高度增大而減小的規(guī)律，但整體上減小范圍不大，也就是說，當土體水分穩(wěn)定時，含水率由表面到底部逐漸增加，但變化很小。從圖10可得，土體初始含水率越大，濕潤峰推進速度越快。原因是含水率的增加，會增強土顆粒間的潤滑效果，使得土體內的水分遷移更加平穩(wěn)。

圖9 不同測點的最終體積含水率值Fig.9 Different measured point height final volumetric moisture content values

圖10 不同含水率土樣濕潤峰推進距離與時間關系Fig.10 Relationship between wetting peak advancing distance and time in soil samples with different moisture contents

3 結 論

1)干濕次數增加，土體持水能力弱化顯著，濕潤峰爬升最大高度逐漸下降，且試驗用時逐漸增加，水分向上遷移速度減慢。減濕過程中，土體內部含水率值隨高度呈徑向分區(qū)分布，表現為上部含水率偏低，下部較高。靜置后，水分向上遷移，補充上部土體在減濕過程中損失的水分，且隨著高度增加上部含水率分布趨于均勻；

2)增濕期間，土樣水分遷移可分為2個階段：初始快速遷移階段和緩慢遷移階段。不同初始干密度的土樣遷移規(guī)律差異不大，但初始干密度對土體最終體積含水率影響顯著，土體初始干密度越小，濕潤峰推進距離越大，推進速度也越快；

3)試驗期間，土樣初始含水率越大，水分遷移速度越快，但隨著水分遷移逐漸穩(wěn)定，最終體積含水率也趨于穩(wěn)定，土樣終態(tài)體積含水率更高。此外，土體水分遷移會受到水分重分布及土體結構重組等多方面的影響，初始含水率和干濕循環(huán)次數不同，主導因素也不同，土體水分遷移規(guī)律呈現出相應的多樣化特征。