增濕重塑非飽和黃土時水-熱運移規(guī)律研究

李仁杰，王 旭，張延杰，李建東, ，李澤源，任軍楠

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅蘭州 730070)

在黃土地區(qū)，工程項目多修筑于淺層黃土之上或以黃土環(huán)境為介質。自然界中的淺層黃土是典型的多孔介質，其大孔發(fā)育，具有各向異性。在大氣環(huán)境的循環(huán)作用下，孔隙間溫度和氣態(tài)水的遷移存在彌散效應，在工農業(yè)生產的多個領域廣泛存在，有多學科交叉的特點[1-4]。例如：青藏線上的熱棒技術、水庫堤壩滲漏、地熱源和油氣田開采時土體中溫度場和水分場的變化[5-6]、蒸發(fā)和降雨循環(huán)作用下邊坡土體中熱量和水分的動態(tài)變化[7]、核工業(yè)廢料處理時對周圍土層水分和溫度平衡的擾動、農學和土壤學中植物根系對水分和養(yǎng)分的吸收、凍土工程中的水-熱-力多場耦合問題等[8-10]。早在1915年，Bouyoucos[11]就開始了溫度梯度對土體中水蒸氣運移影響的研究。到了20世紀80 年代中后期，隨著試驗量測技術的發(fā)展和計算機的廣泛應用，非飽和土的研究空前活躍，Wang等[12]利用不同密度和初始含水率的非飽和黃土試樣進行試驗，發(fā)現溫度梯度將引起水蒸氣運移梯度。張仁義等[13]根據非飽和滲流理論，研究了非飽和黃土包氣帶中水分的分布形式，得出了干旱黃土地區(qū)水分分布的理論規(guī)律。王鐵行等[14-15]提出了蒸汽增濕新方法，并發(fā)現蒸汽增濕后土樣水分均勻性較好。

目前在巖土工程領域，對黃土增濕的方法主要有預濕法和掩埋法，但這兩種方法優(yōu)缺點突出，在實際工程中難以大規(guī)模推廣和應用[16-18]。水蒸氣增濕法作為黃土增濕的新技術與新方法，具有原理簡單、所需時間短、均勻性好、增濕的黃土土性相同等諸多優(yōu)點。然而，國內外學者對非飽和黃土中水蒸氣的吸附和運移規(guī)律的認識還不太明確，圍繞該課題開展的水蒸氣增濕黃土的研究較少，本文用高溫高壓（壓力可調）水蒸氣增濕非飽和黃土，研究蒸汽壓梯度、溫度梯度和含水率梯度共同作用下的非飽和黃土中水-熱運移規(guī)律，為水蒸氣這種特殊氣體增濕黃土的新技術和新方法提供理論支持。

1 模型試驗概況

本試驗用土為蘭州黃土，屬于上更新世風積黃土，大孔發(fā)育，呈黃褐色，其基本物理參數見表1。把土樣通過5 mm篩孔篩分，然后攤鋪在室外風干，等土中含水率減小后拌合均勻，取6組土樣測初始含水率。由于天然黃土含水率一般為6%～9%，根據配置含水率計算需加水量，用噴霧器邊噴水邊拌和，拌和均勻后將土體用塑料膜覆蓋3 d，確保土體含水率均勻，使其含水率接近天然含水率。

表 1 基本物理指標Tab. 1 Indexes of loess properties

試驗設備主要有：水蒸氣發(fā)生器、高溫高壓蒸汽調壓閥、溫度傳感器、蒸汽擴散球和直徑2 m、高2 m的3層鋼桶（本次試驗分兩層來填筑模型，高為1.2 m）。水蒸氣發(fā)生器輸出的蒸汽溫度為145 ℃，通過調壓閥將蒸汽壓控制為0.1 MPa。

土層填筑和溫度傳感器布置如圖1所示，土體共分9層填筑，每層間距10 cm，壓實度為0.88。溫度傳感器共分5層埋填，每層間距18 cm，用于測量增濕過程中不同時間、不同位置處土體溫度。

溫度傳感器在每層土體平面布置如圖2所示。在每層平面中每條半徑布置3個溫度傳感器（間距18 cm），并在每一層圓心處設置1個溫度傳感器，每層共計19個。

圖 1 測試元件布置（單位: cm）Fig. 1 Testing elements layout chart (unit: cm)

含水率取樣點平面布置如圖3所示。

在試驗結束后，利用烘干法取樣測試該點的液態(tài)水和氣態(tài)水遷移總量，每層平面每條半徑線上取4個含水率取樣點（距離20 cm），每層圓心處設置1個含水率取樣點，每層共計取37個試樣， 共取9層，用以研究水蒸氣在土體中的運移規(guī)律。

圖 2 溫度傳感器布置Fig. 2 Temperature sensors layout

圖 3 含水率取樣點布置Fig. 3 Layout of water content sampling points

2 試驗結果分析

2.1 溫度場結果及分析

溫度傳感器布置情況如圖2所示。各層土體中心布置的溫度傳感器監(jiān)測到的溫度隨時間變化規(guī)律見圖4。從圖4可以看出，在試驗剛開始不久，距離通氣點處0和18 cm處的溫度快速上升并達到最大，此后一直在最大值左右波動。這表明在以通氣點為球心，R=18 cm球體范圍內，在蒸汽壓作用下，水蒸氣擴散速率非常快。通氣25 min后，18 cm處溫度穩(wěn)定在100 ℃，再經過30 min，36 cm處的溫度開始變化。計算可得，蒸汽溫度在穿透0～36 cm土體時的傳導速度為0.655 cm/min；同理可得，在36～54 cm土體中蒸汽溫度傳導速率為0.30 cm/min?？梢钥闯?，隨著壓力消散，水蒸氣在運移的過程中受到土體的阻礙，流動速度減慢。最后，距離通氣點72 cm處的溫度在整個試驗過程中幾乎沒有發(fā)生變化，54～72 cm間土體的溫度變化量較小，說明運移到該土層內的水蒸氣十分少，溫度變化是由熱傳導引起的。

圖5為通氣點所在平面內等溫線形狀發(fā)生較明顯變化時刻的溫度分布。由于溫度沿徑向的運移速率較慢，溫度數據每隔30 min采集1次。從圖5可以看出，在增濕的最初階段，整個平面內溫差較小，僅在距通氣點20 cm的范圍內溫度上升。隨著增濕時間延長，增濕范圍進一步擴大，中心區(qū)范圍內的溫度得以快速上升。

圖 4 通氣點正上方各測點溫度變化Fig. 4 Temperature change diagram of measuring points right above the ventilation point

圖 5 通氣點所在平面溫度遷移(單位：℃)Fig. 5 Temperature transfer diagram of the ventilation point plane (unit: ℃)

2.2 水分場結果及分析

圖6為試驗6.5 h后含水率沿徑向變化曲線。從圖6可見，每一層土體含水率都隨徑向距離的增大而減小。各層土體在距離通氣點0～60 cm徑向范圍內，含水率快速增加，從初始7.04%增濕到16.50%，接近最優(yōu)含水率17.80%。而在1，2層土體中距離圓心70和80 cm處的含水率在7.13%～7.68%間變化，接近土體初始含水率7.08%，說明該范圍內的土體幾乎未受到水蒸氣增濕影響，可知該工況下水蒸氣的豎向有效增濕半徑為70 cm。此外，在水平方向，3～9層土體中距離通氣點80 cm處土體含水率仍大于土體初始含水率，而80～100 cm范圍內土體含水率接近初始含水率，同理可判定該工況下水蒸氣沿水平方向的有效增濕半徑為80 cm，略大于豎向增濕半徑，與土體中水平向滲透系數大于垂直方向滲透系數的規(guī)律相一致。此外，距離通氣點豎向70 cm、水平向80 cm以外的土體含水率仍稍大于土體初始含水率，主要是由土體含水率梯度引起的。綜合上述分析可見，水蒸氣在非飽和黃土中的增濕范圍接近一個橢球體。

取試驗中奇數層平面，對每一土層含水率分布進行研究，如圖7所示，含水率在各層分布狀況總體相似，等含水率線近似為橢圓形，且在每層的圓心處含水率最大，沿徑向逐漸降低，但每層土體的增濕范圍和增濕程度各不相同。其中，距通氣點較近的土層，其增濕程度和增濕范圍較大，反之亦然。

圖 6 6.5 h后含水率沿徑向變化曲線Fig. 6 Variation curves of moisture content in horizontal direction after 6.5 hours

圖 7 奇數層平面內含水率分布Fig. 7 Distribution maps of moisture content in odd number layer planes

此外，從圖7(a)中可以看出，在第1層中，只有靠近圓心處含水率較大約為8.00%，在靠近含水率最大處30 cm范圍內，其含水率接近初始值，其他區(qū)域均低于初始含水率。而從圖7(e)中可以看出第9層土體徑向距離通氣點80 cm處接近初始含水率7.04%，則豎向最大增濕半徑為80 cm，所以沿深度方向最大增濕半徑略大于1～9層的距離80 cm，其接近徑向最大增濕半徑，其中第1層土體部分區(qū)域含水率低于初始值，其原因是第1層位于表面，土體暴露與大氣中，在145 ℃水蒸氣加熱作用，加速了土體的蒸發(fā)，致使其含水率低于初始值。

王鐵行等[19]對大量的實測結果進行回歸分析，得到根據土體含水量、密度確定導熱系數的關系式λ =4.17ω2+1 504×100.25rd?3.9, 其中：λ為導熱系數；ω為含水率；rd為干密度。利用該式得到橫向和縱向導熱系數的變化規(guī)律如圖8所示。從圖8可見，導熱系數和含水率息息相關，沿橫向和縱向導熱系數均隨含水率的減小而減小。

在距離通氣點0～20 cm和70～80 cm的范圍內，土體含水率比較接近，橫縱向的導熱系數變化曲線幾乎重合。而在距離通氣點20～70 cm的范圍內，縱向含水率總是大于橫向含水率，進而縱向導熱系數總是大于橫向導熱系數。橫縱向含水率的差值從20 cm處開始增大，40 cm處減小，60 cm處再一次相等，說明在距離通氣點0～60 cm范圍內以氣態(tài)水遷移為主，而60 cm范圍以外液態(tài)水遷移為主。

橫縱向含水率分布不一致與橫縱向增濕半徑不一致的原因相同，均是由水蒸氣氣壓造成的。從上述的分析可以看出，該工況下，蒸汽氣壓僅對距離通氣點0～60 cm的土體產生影響，對60～80 cm范圍內的土體沒有影響。從圖8可以發(fā)現，該工況下最大增濕半徑為80 cm，說明0～60 cm內土體增濕是由液態(tài)水遷移和氣態(tài)水遷移共同引起的，而70～80 cm內土體增濕是在含水率梯度和溫度梯度共同作用下，由液態(tài)水遷移造成的。

圖 8 橫縱方向導熱系數變化Fig. 8 Transverse and longitudinal variation diagram of thermal conductivity

3 結 語

（1）水蒸氣和溫度在非飽和黃土中的擴散范圍近似于一個橢球體，沿徑向隨著水蒸氣運移距離增大，蒸汽運移速率減小，含水率和溫度遷移速率降低。

（2）當水蒸氣氣壓為0.1 MPa，溫度為145 ℃，通氣6.5 h時，水蒸氣最大增濕半徑為80 cm，橫向、縱向有效增濕半徑分別為60和70 cm。在以通氣點為圓心，橫向40 cm，縱向50 cm的橢球體內，含水率在12%～17%間變化，增濕效果較好，接近土體的最優(yōu)含水率。延長通氣時間，增濕范圍和增濕程度均將增大。

（3）水蒸氣增濕黃土過程中，液態(tài)水和氣態(tài)水遷移共存，在有效增濕范圍內以氣態(tài)水遷移為主。隨著壓力消散，水蒸氣遷移速度逐漸減慢，而在不同的范圍內，溫度傳導速率接近一個定值。

（4）水蒸氣增濕法作為土體增濕的新技術與新方法，與傳統(tǒng)的預濕法和掩埋法相比具有諸多優(yōu)點，考慮蒸汽氣壓、蒸汽溫度、土體密度和土體含水量的水分遷移參數，定量地描述水-熱的擴散范圍，聯合高能強夯法，在大厚度濕陷性黃土地區(qū)地基處理中有廣泛的應用前景。