路基蒸發(fā)影響因素顯著性模型試驗(yàn)研究

曹得占

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430071)

在溫度、風(fēng)等外界因素作用下，水會(huì)發(fā)生蒸發(fā)作用。土壤中的水分也會(huì)在這些因素影響下因蒸發(fā)而減少，但是路基土畢竟與原狀土有所區(qū)別，即較大的壓實(shí)度和較小的孔隙率，蒸發(fā)的因素對路基含水量的變化一般表現(xiàn)在長期緩慢的作用。Thomas等［1，2］采用一維Richard水分運(yùn)動(dòng)方程模擬了在氣候變化下土體脫濕變干行為。之后Thomas等［3-5］采用非飽和土力學(xué)流固耦合理論，分析了土體濕度、變形的季節(jié)性變化規(guī)律，計(jì)算模型中蒸發(fā)邊界條件均直接取自氣象觀測所得的潛在蒸發(fā)量。盧再華［6］對膨脹土邊坡進(jìn)行了土與大氣相互作用的數(shù)值模擬;Cui等［7］采用Wilson提出的模型對法國某試驗(yàn)現(xiàn)場非飽和土中的含水率和溫度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬;陳建斌等［8］重點(diǎn)分析了在氣候等外界因素對非飽和土的蒸發(fā)量的影響因素;賀再球研究了非飽和土氣態(tài)水遷移規(guī)律及耦合計(jì)算公式與液態(tài)水的混合遷移情況。

然而在強(qiáng)降雨的條件下短時(shí)期內(nèi)對路基含水量變化將會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響，影響效果到底有多大，與降雨因素相比影響的顯著程度究竟如何現(xiàn)有的研究較少。所以，本文通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證蒸發(fā)作用對路基中含水量動(dòng)態(tài)變化影響的顯著性。同時(shí)，探求蒸發(fā)作用下水分在路基中不同部位的分布規(guī)律情況。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

制作一個(gè)含水量已知、特定壓實(shí)度的路基物理模型，將模型放置在一定條件的環(huán)境下，只允許土基在邊坡處發(fā)生蒸發(fā)作用，對土基中的含水量按時(shí)間間隔進(jìn)行測量，一段時(shí)間后對比此時(shí)的含水量與初始含水量的大小，從而驗(yàn)證蒸發(fā)作用對土基中含水量變化的顯著性。

1.2 試驗(yàn)過程

1)場地清理和模板的建立。清除場地范圍內(nèi)的雜草，挖除草根;表面土清除:表面種植土用鐵锨清除，整平，露出鮮土為止;地表填充前碾壓，用壓實(shí)鐵餅對地表進(jìn)行壓實(shí);用磚(高20 cm)圍成1.5 m×1.2 m的場地，并在磚壁上每10 cm標(biāo)出分層線。

2)路基的填充和夯實(shí)。首先用試驗(yàn)用土在地表撒鋪一層約2 cm～3 cm。防止地表干燥對試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。根據(jù)之前計(jì)算按壓實(shí)度76%，每層的土用量為310斤(155 kg)，水6.92 kg(共三層465 kg±水20.76 kg)。

3)削坡。對路基橫斷面進(jìn)行劃分，雙車道+路肩，削坡坡度比為1∶1.5，用塑料薄膜把路基模型上面及三周(除邊坡外)罩住。制作好的物理模型試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 物理模型試驗(yàn)示意圖

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)通過模擬西南地區(qū)雨季，邊坡水分的蒸發(fā)對整個(gè)路基含水量的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔10 h測取，相當(dāng)于實(shí)際情況下每隔3 d測含水量。整個(gè)試驗(yàn)階段共為8 d。每天上午9點(diǎn)，下午16點(diǎn)各測取一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過程如下:

1)在事先劃分好的區(qū)域內(nèi)，利用水分感應(yīng)器進(jìn)行測量，注意試驗(yàn)過程感應(yīng)器一定要垂直路基表面插入，垂直表面拔出，同時(shí)避免對路基表面的損壞;

2)待插入后間隔1 min左右讀取數(shù)據(jù)并作相應(yīng)記錄，然后繼續(xù)下一區(qū)域的測量，注意按規(guī)定區(qū)域測量;

3)邊坡測量時(shí)，由于邊坡的蒸發(fā)量大，所以測量宜先插入半針，然后再插入全針。分別量測邊坡不同深度的含水量，邊坡測量的區(qū)域按均勻等分原則可分為8大塊，16小塊。按相應(yīng)位置進(jìn)行量取;

4)數(shù)據(jù)采集完畢后，進(jìn)行匯總分析，得出路基內(nèi)部含水量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，路基邊坡含水量隨時(shí)間，深度變化的關(guān)系曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各個(gè)測區(qū)分布位置如圖2所示。

圖2 測區(qū)位置分布圖

邊坡區(qū)含水量變化曲線圖如圖3所示。

圖3 邊坡區(qū)含水量變化曲線圖

從圖中可以看出:

1)路基模型上邊坡在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級(jí)～二級(jí)風(fēng)速、無降水補(bǔ)充、路基壓實(shí)度為77%等條件下經(jīng)過4 d的蒸發(fā)作用含水量降低3.1%;同樣，中邊坡、下邊坡在相同條件下路基含水量分別降低了3.2%，5.6%。

2)邊坡含水量呈整體下降趨勢。早期含水量下降較快，后期含水量下降速度逐漸降低，并最后趨于穩(wěn)定。

3)由于邊坡是路基模型直接受蒸發(fā)作用的區(qū)域，蒸發(fā)作用較為顯著;但隨著表面土基中水分的蒸發(fā)流失，表面與空氣直接接觸的水分減少，所以邊坡含水量蒸發(fā)速度呈現(xiàn)出先快后慢、最后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。

土基模型中含水量在蒸發(fā)作用下隨時(shí)間變化規(guī)律及一定時(shí)間后在空間上的分布規(guī)律如圖4，圖5所示。

圖4 含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖4和圖5中可以看出，路基模型一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)范圍在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級(jí)～二級(jí)風(fēng)速、無降水補(bǔ)充、路基壓實(shí)度為77%等條件下經(jīng)過4 d的蒸發(fā)作用含水量降低約1%;路基含水量總體呈先降低、后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢，含水量的降低主要發(fā)生在前3次的測量中。邊坡含水量發(fā)生變化，但是變化量較少，在空間上分布范圍也較小，由于試驗(yàn)考慮的是雨季的變化情況，4 d(對應(yīng)于實(shí)際中10 d左右)的含水量一般會(huì)有降水的補(bǔ)充，所以，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，路基中含水量在雨季受蒸發(fā)作用影響較小。

圖5 含水量在空間上的分布規(guī)律

3 結(jié)語

路基模型上邊坡在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級(jí)～二級(jí)風(fēng)速、無降水補(bǔ)充、路基壓實(shí)度為77%等條件下經(jīng)過4 d的蒸發(fā)作用含水量降低3.1%;同樣，中邊坡、下邊坡在相同條件下路基含水量分別降低了3.2%，5.6%。邊坡含水量呈整體下降趨勢。早期含水量下降較快，后期含水量下降速度逐漸降低，并最后趨于穩(wěn)定。路基模型一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)范圍在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級(jí)～二級(jí)風(fēng)速、無降水補(bǔ)充、路基壓實(shí)度為77%等條件下經(jīng)過4 d的蒸發(fā)作用含水量降低約1%，路基中含水量在雨季受蒸發(fā)作用影響較小。

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