非飽和黃土水分遷移規(guī)律及遷移量的試驗(yàn)研究

劉小軍， 閆玉闖， 羅 揚(yáng)

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

處于地表的土體大都為非飽和狀態(tài)，非飽和土體中含水量的變化常常會(huì)導(dǎo)致一些病理的產(chǎn)生，例如路基工程出現(xiàn)沉陷、縱裂、水溝失穩(wěn)等病害；水利工程出現(xiàn)凍脹、塌岸、砌體開(kāi)裂等病害；市政工程出現(xiàn)沉陷、網(wǎng)裂等病害．從而引發(fā)工程事故的發(fā)生．對(duì)土體中含水量變化的研究不僅對(duì)保證工程穩(wěn)定性有重要意義，同時(shí)，也可預(yù)測(cè)土層含水狀況，這對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進(jìn)黃土高原綠化事業(yè)也有重要意義．而土體中含水量的變化主要是水分遷移的結(jié)果，非飽和土中水分遷移的形式主要為液態(tài)水遷移和氣態(tài)水遷移，通常情況下，非飽和土中液態(tài)水遷移和氣態(tài)水遷移是同時(shí)存在的．許多學(xué)者已進(jìn)行了很多關(guān)于液態(tài)水遷移[1-5]的研究，對(duì)于非飽和土氣態(tài)水也進(jìn)行了一定的研究．文獻(xiàn)[6-10]中多位學(xué)者進(jìn)行了溫度梯度作用和含水量梯度作用的實(shí)驗(yàn)研究, 實(shí)驗(yàn)揭示出, 溫度梯度、干密度以及含水量梯度對(duì)非飽和土體中氣態(tài)水遷移的影響,但目前對(duì)不同含水量水平、梯度對(duì)水分遷移的影響程度，以及氣態(tài)水遷移在總水分遷移中所占的比重；氣態(tài)水遷移與氣、液態(tài)水混合遷移的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系等尚未探明．

本文擬以西安地區(qū)的黃土為例，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，定量分析等溫情況下氣態(tài)水遷移與氣、液態(tài)水混合遷移規(guī)律，探討含水量梯度、含水量水平、遷移時(shí)間等因素對(duì)氣態(tài)水遷移量和氣、液態(tài)水混合遷移量的影響；進(jìn)而研究不同情況下，氣態(tài)水遷移與氣、液態(tài)水混合遷移規(guī)律以及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系．

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用黃土呈褐黃色，為黃土狀土，其基本指標(biāo)見(jiàn)表1．

表 1 黃土基本指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of loess

實(shí)驗(yàn)所采用的裝置為長(zhǎng)方體鐵盒，其長(zhǎng)、寬、高如圖1所示(單位：cm)．為了防止水與鐵盒發(fā)生反應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裝置內(nèi)壁四周涂有防銹隔水材料．用于氣態(tài)水遷移實(shí)驗(yàn)的鐵盒沿長(zhǎng)度方向從中間處斷開(kāi)，使裝置分為左右兩部分，圖1中試驗(yàn)裝置(a)所示．若取下密封接頭，將裝置的左右兩部分對(duì)接到一起，此時(shí)裝置不存在空氣帶，如圖1(b)所示．

為使土樣含水量在長(zhǎng)度方向上呈遞增狀態(tài)，首先在裝置中裝入均勻含水量的黃土，該含水量與試驗(yàn)所要制做的土樣最低端的含水量接近．在控制干密度不變的情況下，將土樣沿長(zhǎng)度方向上分為20等份，計(jì)算每份土體需加入的水量，然后利用水膜轉(zhuǎn)移法將所需水量注入到對(duì)應(yīng)的每份土體中，從而制做設(shè)定的含水量梯度試樣，靜置一段時(shí)間后測(cè)定初始含水量分布．然后將裝置左右兩部分?jǐn)嚅_(kāi)，左右兩部分中間隔開(kāi)一個(gè)0.5 cm的空氣帶，同時(shí)在斷開(kāi)處放入帶有小孔的鐵絲網(wǎng)，防止斷開(kāi)剖面土體發(fā)生塌落并能保證在斷開(kāi)處僅有氣態(tài)水通過(guò)．將土樣密封靜置，設(shè)定遷移時(shí)間分別開(kāi)啟裝置進(jìn)行不同位置處的含水量測(cè)試，最終得到氣態(tài)水遷移試驗(yàn)結(jié)果．

制作氣、液態(tài)水混合遷移的土樣時(shí)，取圖1中的試驗(yàn)裝置(b)，其裝入土樣的過(guò)程與制作氣態(tài)水遷移土樣的過(guò)程相同，所不同的是在測(cè)定初始含水量分布后無(wú)需對(duì)裝置進(jìn)行斷開(kāi)．

試驗(yàn)所做土樣的實(shí)測(cè)初始含水量梯度(試樣含水量最低端與最高端的差值)為 5%的有 1.8%～6.9%、5.2%～10.3%、9.9%～15.2%、21.2%～27.6%、12.7%～18.5%，；含水量梯度為 10%的有 1.5%～10.5%、10.4%～20.1%、14.5%～24.7%，同一含水量梯度下的土樣又分為不同的含水量水平,反映試樣整體含水量的高低,如：初始含水量梯度分布為5%的 5.2%～10.3%和 9.9%～15.2%這兩組土樣即為具有同一梯度、不同含水量水平的土樣，且兩組土樣中9.9%～15.2%的含水水平較高．所做相同的多個(gè)土樣中，一部分土樣用于進(jìn)行氣態(tài)水遷移試驗(yàn)；另一部分土樣用于氣、液態(tài)水混合遷移試驗(yàn)．遷移時(shí)間考慮10 d和20 d兩種情況．

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 The test device

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣態(tài)水遷移分析

氣態(tài)水遷移是水分遷移的重要組成部分，而水分遷移的影響因素主要為含水量梯度、含水量水平及遷移時(shí)間等．隨著含水量水平、含水量梯度和遷移時(shí)間的變化，氣態(tài)水的遷移情況存在很大差異．對(duì)于加空氣帶的土樣來(lái)說(shuō)，土樣中水的總量是不變的，所以空氣帶左端含水量較低部分的水分增加量與右端含水量較高部分的水分減小量相等．由于右端含水量較高部分中的水只能以氣態(tài)水形式傳到左端含水量較低部分，所以右端的減小或左端的增加量即為氣態(tài)水遷移量．要進(jìn)一步分析氣態(tài)水遷移量與混合（氣態(tài)水和液態(tài)水遷移同時(shí)存在）遷移量的關(guān)系，需要提出氣態(tài)水遷移量的算法．

對(duì)于每個(gè)加空氣帶的土樣來(lái)說(shuō)，含水量低端部分的總水分增加量即為氣態(tài)水通過(guò)空氣帶的氣態(tài)水遷移量．假設(shè)通過(guò)空氣帶的氣態(tài)水遷移量為S，計(jì)算水平坐標(biāo)上方的增量曲線與兩坐標(biāo)軸所組成圖形的面積為A，水平坐標(biāo)軸下方的增量曲線與水平坐標(biāo)軸所組成的面積為B，則S=A-B．

當(dāng)對(duì)氣態(tài)水遷移量進(jìn)行研究時(shí)，可只取裝置中左半部分的土樣進(jìn)行分析．下圖2為不同含水量水平下加空氣帶的土樣10 d后的含水量增量分布．

圖2 不同水平加空氣帶土樣10 d后含水增量分布Fig.2 The increment distribution of soil sample added air belt with different water content level after 10 days

由圖2(a)中可看出，初始含水分布為1.5%～10.5%的土樣，經(jīng)過(guò)10天后的氣態(tài)水遷移量較相同時(shí)間后10.4%～20.1%的土樣和14.5%～24.7%的土樣都要多；由圖2(b)中可看出，初始含水分布為1.8%～6.9%的土樣，經(jīng)過(guò)10 d后的氣態(tài)水遷移量較相同時(shí)間后5.2%～10.3%的土樣要少，但比9.9%～15.2%的土樣和21.2%～27.6%的土樣氣態(tài)水遷移量要多，土樣氣態(tài)水遷移量如表2所示：

表2 氣態(tài)水遷移量對(duì)比Tab.2 Contrast of vaporous water transfer’s quantity

由試驗(yàn)結(jié)果可以得知，含水量水平不同，氣態(tài)水的遷移量區(qū)別明顯，因此含水量水平是氣態(tài)水遷移的重要因素．隨著含水量水平的提高，氣態(tài)水遷移量呈先增加后減小的趨勢(shì)，即保持含水量梯度不變的情況下，在含水量水平提高的過(guò)程中存在一個(gè)含水量，低于此含水量時(shí)，氣態(tài)水遷移量呈增加趨勢(shì)；高于此含水量時(shí)，氣態(tài)水遷移量將會(huì)呈減少趨勢(shì)．

考慮含水量梯度對(duì)氣態(tài)水遷移量的影響，同樣可取含水量低端部分(裝置中左半部分)土樣進(jìn)行分析，圖3為不同梯度下加空氣帶土樣10 d后的含水量增量分布．

由圖3(a)、(b)可看出，不同的含水量梯度，氣態(tài)水水分遷移量相差很大，并且隨著含水量梯度的提高，遷移量也隨之增大．如圖3(a)中，初始含水量為1.8%～6.9%的加空氣帶土樣，其氣態(tài)水遷移量要低于1.5%～10.5%的土樣；初始含水量為9.9%～15.2%的加空氣帶土樣，其氣態(tài)水遷移量要低于10.4%～20.1%的土樣．因此含水量梯度也是影響氣態(tài)水遷移的重要因素之一．

為了分析含水量梯度與含水量水平對(duì)氣態(tài)水遷移的影響程度，將加空氣帶的初始含水量分布為1.8%～6.9%、5.2～10.3%以及1.5%～10.5%的土樣氣態(tài)水遷移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，繪制下圖4加空氣帶土樣10 d后含水量增量分布．

圖3 不同梯度加空氣帶土樣10 d后含水增量分布Fig.3 The increment distribution of soil sample added air belt with different water content gradient after 10 days

由圖4可看出，初始含水量分布為1.8%～6.9%的土樣10天后的氣態(tài)水遷移量分別約為初始含水量為5.2～10.3%、1.5%～10.5%土樣的85%和55%，說(shuō)明含水量梯度對(duì)氣態(tài)水遷移的影響程度要高于含水量水平．

圖5為初始含水量分布為5.2%～10.3%的加空氣帶土樣不同時(shí)間后的含水量分布情況，由圖5可看出，在含水量梯度作用下，黃土的含水量分布隨著時(shí)間的變化而不斷變化，氣態(tài)水由高端部分向低端部分的遷移量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)．由于水分的移動(dòng)使得含水量梯度變小，從而隨著時(shí)間的增長(zhǎng)水分遷移的速率變慢，所以后10 d的氣態(tài)水遷移量占總水分遷移量的比例較?。?/p>

圖4 加空氣帶土樣10 d后含水量增量分布Fig.4 The increment distribution of soil sample added air belt after 10 days

圖5 不同遷移時(shí)間后土樣含水量分布Fig.5 The water content distribution of soil sample with different transfer time

通過(guò)上述分析可以得知，對(duì)于影響水分遷移的主要因素而言，含水量梯度對(duì)氣態(tài)水遷移的影響程度較含水量水平高，而對(duì)于遷移時(shí)間而言，時(shí)間越長(zhǎng)，遷移量越大，但是遷移速率會(huì)逐漸降低．

2.2 氣、液態(tài)水混合遷移分析

對(duì)于本文而言，氣、液態(tài)水混合遷移指的是土樣中未加空氣帶的水分遷移．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果揭示含水量梯度及含水量水平等因素對(duì)未加空氣帶土樣水分遷移規(guī)律的影響．

圖6為在不同的含水量水平下，未加空氣帶的土樣10 d后的含水量增量分布；圖7為在不同含水量梯度下，未加空氣帶的土樣10 d后的含水量增量分布；圖8為初始含水量分布為12.7%～18.5%的未加空氣帶土樣不同時(shí)間后遷移結(jié)果．

由圖6可看出，相同時(shí)間內(nèi)初始含水量為1.8%～6.9%的土樣比5.2～10.3%的土樣的氣、液態(tài)水混合遷移量??；而初始含水量為5.2～10.3%的土樣比12.7%～18.5%的氣、液態(tài)水混合遷移量?。蓤D7可看出，初始含水量為1.8%～6.9%的土樣比1.5%～10.5%的土樣的氣、液態(tài)水混合遷移要?。虼耍克胶秃刻荻葘?duì)氣、液態(tài)水混合遷移的影響存在一致關(guān)系，即含水量水平的提高或含水量梯度的提高都會(huì)使得混合遷移量增加．

由圖8可以看出，對(duì)于氣、液態(tài)水混合遷移而言，遷移量也會(huì)隨著遷移時(shí)間的增加而增加，而遷移速率也會(huì)逐漸降低．

圖6 不同含水量水平的土樣混合遷移增量Fig.6 The mixed water transfer increment of soil sample with different water content value

圖7 不同含水量梯度的土樣混合遷移增量Fig.7 The mixed water transfer increment of soil sample with different water content gradient

圖8 含水量分布12.7%～18.5%的土樣混合遷移結(jié)果Fig.8 The mixed water transfer result of soil sample with water content from 12.7% to 18.5%

通過(guò)對(duì)氣、液態(tài)水混合遷移分析可以得知，含水量水平和含水量梯度對(duì)氣、液態(tài)水混合遷移的影響存在一致關(guān)系，即含水量水平和含水量梯度的提高都會(huì)使得混合遷移量增加．混合遷移量也會(huì)隨著遷移時(shí)間的增加而增加，而遷移速率會(huì)逐漸降低．

2.3 氣態(tài)水遷移和氣、液態(tài)水混合遷移的關(guān)系

非飽和土中水分遷移主要有氣態(tài)水遷移和液態(tài)水遷移兩種形式，二者是否始終同時(shí)存在，以及各自在水分遷移中所占的比重等問(wèn)題尚不清楚．為了解決上述問(wèn)題，仍取裝置中左半部分的土樣作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析來(lái)了解二者的遷移規(guī)律及相互關(guān)系．圖 9-13分別為初始含水量為 1.8%～6.9%、5.2%～10.3%、9.9%～15.2%、10.4%～20.1%、14.5%～24.7%加空氣帶與未加空氣帶的土樣 10 d后的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比．

由圖9和圖10可以看出，加空氣帶土樣與未加空氣帶土樣相同時(shí)間內(nèi)的遷移變化曲線基本一致．說(shuō)明在含水量較低時(shí)，只存在氣態(tài)水遷移，氣態(tài)水遷移即為總水分遷移．其主要原因是當(dāng)含水量低于一定水平時(shí)，黃土中的液態(tài)水以結(jié)合水為主，而自由水所占比例較小，由于土礦物顆粒作用力，使得結(jié)合水吸附于土顆粒表面，很難發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)水分遷移主要是氣態(tài)水遷移，氣態(tài)水遷移量占主導(dǎo)地位，液態(tài)水遷移可忽略不計(jì)．

圖9 含水量分布1.8%～6.9%10 d后的水分遷移結(jié)果Fig.9 The water transfer result of soil sample with 1.8% to 6.9% after 10 days

而圖11和圖12加空氣帶與未加空氣帶土樣遷移曲線出現(xiàn)差異，說(shuō)明總水分遷移既包括氣態(tài)水遷移，同時(shí)還有液態(tài)水遷移．由此分析可以得知，存在某個(gè)含水量，當(dāng)土樣的含水量低于該含水量時(shí)，黃土中只存在氣態(tài)水遷移，液態(tài)水遷移可忽略不計(jì)；當(dāng)土樣的含水量高于該含水量時(shí)，黃土開(kāi)始出現(xiàn)液態(tài)水遷移，水分遷移由只存在氣態(tài)水遷移轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水遷移和液態(tài)水遷移兩種方式同時(shí)進(jìn)行．

而圖11和圖12加空氣帶與未加空氣帶土樣遷移曲線出現(xiàn)差異，說(shuō)明總水分遷移既包括氣態(tài)水遷移，同時(shí)還有液態(tài)水遷移．由此分析可以得知，存在某個(gè)含水量，當(dāng)土樣的含水量低于該含水量時(shí)，黃土中只存在氣態(tài)水遷移，液態(tài)水遷移可忽略不計(jì)；當(dāng)土樣的含水量高于該含水量時(shí)，黃土開(kāi)始出現(xiàn)液態(tài)水遷移，水分遷移由只存在氣態(tài)水遷移轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水遷移和液態(tài)水遷移兩種方式同時(shí)進(jìn)行．而圖11和圖12加空氣帶與未加空氣帶土樣遷移曲線出現(xiàn)差異，說(shuō)明總水分遷移既包括氣態(tài)水遷移，同時(shí)還有液態(tài)水遷移．由此分析可以得知，存在某個(gè)含水量，當(dāng)土樣的含水量低于該含水量時(shí)，黃土中只存在氣態(tài)水遷移，液態(tài)水遷移可忽略不計(jì)；當(dāng)土樣的含水量高于該含水量時(shí)，黃土開(kāi)始出現(xiàn)液態(tài)水遷移，水分遷移由只存在氣態(tài)水遷移轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水遷移和液態(tài)水遷移兩種方式同時(shí)進(jìn)行．

圖11 含水量分布9.9%～15.2% 10 d后的水分遷移結(jié)果Fig.11 The water transfer result of soil sample with water content from 9.9% to 15.2% after 10 days

圖12 含水量分布為10.4%～20.1% 10 d后的水分遷移結(jié)果Fig.12 The water transfer result of soil sample with water content from 10.4% to 20.1% after 10 day

圖13 含水量分布為14.5%～24.7% 10 d后的水分遷移結(jié)果Fig.13 The water transfer result of soil sample with water content from 14.5% to 24.7% after 10 days

此外，對(duì)比分析圖11、12及13可得知初始含水量為9.9%～15.2%的土樣10 d后氣態(tài)水遷移量約為氣、液水混合遷移量的75%；初始含水量為10.4%～20.1%的土樣10 d后氣態(tài)水的遷移量約為氣、液水混合遷移量的50%；初始含水量為14.5%～24.7%的土樣10 d后氣態(tài)水的遷移量約為氣、液水混合遷移量的40%．說(shuō)明隨著含水量梯度和含水量水平的提高，氣態(tài)水遷移量占總遷移量的比例均會(huì)下降．這主要是因?yàn)闊o(wú)論含水量水平的提高還時(shí)含水量梯度的提高，都會(huì)使土樣中自由水增多，從而導(dǎo)致液態(tài)水遷移量占總遷移量的比例增加，氣態(tài)水遷移量占總遷移的比例減?。?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述非飽和黃土土樣的水分遷移試驗(yàn)研究結(jié)果表明：含水量梯度對(duì)氣態(tài)水遷移的影響程度較含水量水平高，而對(duì)于遷移時(shí)間而言，時(shí)間越長(zhǎng)，遷移量越大，但是遷移速率會(huì)逐漸降低．含水量水平的提高和含水量梯度的提高均會(huì)使氣、液態(tài)水混合遷移量增大．存在一個(gè)含水量，當(dāng)土樣的含水量低于該含水量時(shí)黃土中只存在氣態(tài)水遷移；高于該含水量時(shí)黃土開(kāi)始出現(xiàn)液態(tài)水遷移，土體中水分遷移形式由只存在氣態(tài)水遷移轉(zhuǎn)變?yōu)闅狻⒁簯B(tài)水混合遷移，并且隨著含水量的增加，氣態(tài)水遷移的比重在總遷移中所占的比重逐漸降低．

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