非飽和膨脹土水分遷移的試驗研究

翟聚云,魯 潔

(1.河南城建學(xué)院 河南 平頂山 467000;2.西安建筑科技大學(xué) 西安 710055）

地表膨脹土大都處于非飽和狀態(tài),非飽和土體的水分遷移有液態(tài)水和氣態(tài)水兩種遷移形式[1]。非飽和膨脹土水分遷移過程、影響因素及變化規(guī)律非常復(fù)雜[2-3]。水分遷移引起土體含水量變化,從而引起土體的吸力及抗剪強度發(fā)生變化,容易引起工程事故的發(fā)生[4-8]。非飽和土體的水分遷移的原因有多種,有溫度梯度、含水量梯度、含水量水平、土體特性等[9-10],已有研究者也對特指土類遷移的大小及影響因素進行探討[11-14]。但對膨脹土的水分遷移過程及遷移量大小的資料缺乏報道,由于膨脹土具有很強的特殊性以及對含水量變化的敏感性,所以對此類問題的研究是很必要的。該文通過對河南平頂山膨脹土不同干—濕段含水量、不同靜置時間分組進行試驗研究,對等溫條件下氣態(tài)水遷移及氣液態(tài)水混合遷移規(guī)律問題進行探討。

1 試驗土樣及裝置

1.1 試驗土樣性質(zhì)

試驗土體材料采用膨脹土,土樣取自河南平頂山市建設(shè)路與光明路交叉處,該膨脹土通過X射線衍射分析,得到土體的礦物成分見表1;該土體的基本指標(biāo)見表2。

表1 膨脹土礦物成分/%

表2 膨脹土基本指標(biāo)

本試驗使用擾動土樣,水分遷移在恒溫29℃條件下進行。

1.2 試驗裝置

進行氣態(tài)水遷移過程測試的試驗裝置,是制備特定較低含水量(干土)和較高含水量(濕土)的兩種擾動土,分別擊實裝入長10 cm一端封閉的PVC管,將兩管開口端處用接頭對接,使接觸處留有 1 cm的空間,因為膨脹土對水分吸附能力,接頭兩端的水分遷移只能以氣態(tài)水形式進行。

進行非飽和膨脹土氣態(tài)水與液態(tài)水混合遷移試驗時,采用長20 cm、一端封閉的PVC管,先擊實裝入干土10 cm,然后擊實裝入濕土10 cm,最后封閉端口,靜置到預(yù)定的時間后,開樣測定不同位置處的含水量分布情況。這樣干濕兩段土樣的水分遷移過程有氣態(tài)水遷移和液態(tài)水遷移共同存在。

2 氣態(tài)水遷移

試驗制備氣態(tài)水遷移試驗土體參數(shù)見表3。

表3 氣態(tài)水遷移試驗土體參數(shù)

為了探討相同初始干-濕段土體含水量不同靜置時間的遷移過程,將第2、3組氣態(tài)遷移試驗結(jié)果作以對比,圖1為干-濕段土樣的初始含水量為12.60%～17.42%經(jīng)過10 d和14 d的測定含水量分布。

圖1 不同時間氣態(tài)水遷移結(jié)果

由圖1可以看出,隨著時間的增加,含水量變化及水分遷移量是不斷增加的。

為了探討相同靜置時間不同干-濕土段含水量的遷移情況,將第1、3組試驗結(jié)果作以對比,圖2為干-濕段土樣的初始含水量分別為10.20%～20.8%與12.60%～17.42%經(jīng)過14 d的含水量變化。

圖2 不同初始含水量區(qū)間14 d氣態(tài)遷移結(jié)果

由圖2可以看出,干-濕段土樣含水量差別較大者,氣態(tài)水水分遷移量較多,而且較干段接頭近處含水量沿長度的梯度較大,是由于較干土體對水分的吸附作用阻止了水分的擴散所致,而較濕土段的含水量分布比較均勻,較濕段土粒周圍多為自由水,所以遷移速度比較快造成的。

3 氣態(tài)水與液態(tài)水混合遷移

氣態(tài)水與液態(tài)水混合遷移試驗制備試樣參數(shù)見表4。

表4 氣態(tài)水與液態(tài)水混合遷移試驗土體參數(shù)

為了得到相同含水量梯度不同靜置時間的遷移過程,將第5、6、7組試驗結(jié)果作以對比,圖3為干-濕段土樣的初始含水量為12.60%～17.42%分別經(jīng)過5 d、10 d、14 d的實測含水量分布。

圖3 不同時間的含水量分布

由圖3可以看出,隨著時間的增加,含水量不斷變化及水分遷移量不斷增加的過程。

為了得到相同靜置時間不同干-濕段土樣的初始含水量的水分遷移情況,將第4與7組作以對比,見圖4。

圖4 不同初始含水量區(qū)間14 d混合遷移結(jié)果

由圖4可以看出,干-濕段土樣的初始含水量的不同,含水量變化也有顯著差異,而且含水量變化隨位置的分布規(guī)律及其含水量變化梯度也有明顯差別,這可能與土樣密度和含水量水平的差別有關(guān)[15],而且膨脹土因為水分的變化致使土顆粒體積變化[16],而土體是在固定空間內(nèi)存在,其總體積不變,則土體孔隙體積就會發(fā)生變化,導(dǎo)致水分遷移的速度和遷移量發(fā)生變化。含水量變化與土體的位置有密切關(guān)系,接頭近處含水量梯度較大,含水量梯度作用下又引起水分遷移含水量不斷變化,隨著遷移的發(fā)生,含水量梯度逐漸變小,而且不同位置變化不同,致使遷移量的變化與時間和位置呈很復(fù)雜的非線性關(guān)系。

5與8組、6與 9組作以比較見圖5和圖6。

圖5 不同含水量區(qū)間5 d混合遷移結(jié)果

圖6 不同含水量區(qū)間10 d混合遷移結(jié)果

4 氣態(tài)水遷移與氣液混合遷移的對比分析

將相同初始干-濕段土樣含水量,相同靜置時間的氣態(tài)水遷移與氣液混合遷移的遷移量放在一起,如圖 7、8所示。

圖7為第1和4組的對比,初始干-濕段土樣含水量為10.20%～20.81%的氣態(tài)水遷移和氣液混合遷移的14天含水量分布情況;圖8為第2和6組的對比,初始干-濕段土樣含水量為12.60%～17.42%的氣態(tài)水遷移和氣液混合遷移10 d的含水量分布情況。

圖7 相同含水量區(qū)間14 d遷移結(jié)果

圖8 相同含水量區(qū)間10 d遷移結(jié)果

由圖7、8可以看出混合遷移量比氣體水遷移量明顯大得多,相同位置的差可以認(rèn)為是液態(tài)水遷移的大小。從圖可以看出氣體水遷移量占總遷移量的比例隨位置的不同差別較大,主要原因是與不同位置土體本身的含水量水平有關(guān),位置不同含水量大小和梯度有差別,而且在不停的變化;含水量較低時土粒對水分的吸附能力較強,阻止了液態(tài)水的流動,液態(tài)水遷移的比例就較小,含水量較高時,土顆粒周圍多為自由水,液態(tài)水遷移的比例就較大,因為含水量在變化,所以液態(tài)水遷移的比例隨時間和位置也是變化的。

5 結(jié)語

對等溫條件下膨脹土土樣進行水分遷移的試驗研究揭示出,相同遷移時間內(nèi),土質(zhì)情況、含水量梯度和含水量水平對氣態(tài)水遷移和氣液水分混合遷移的遷移量均有較大影響,遷移量隨含水量梯度增加而增加,與時間和位置呈復(fù)雜的非線性關(guān)系。干、濕段含水量分布規(guī)律不同,干段接頭近處含水量梯度較大,濕段含水量分布比較均勻。在氣液混合遷移過程中,液態(tài)水遷移所占比例隨時間和位置的不同是變化的,含水量水平和梯度是其重要影響因素。本文得到的試驗結(jié)果可以為膨脹土水分遷移的進一步研究提供可靠的資料。

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