土的干密度對(duì)水氣遷移影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

王乃東，賈峻峰，姚仰平，王 琳

（北京航空航天大學(xué)　交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

土的干密度對(duì)水氣遷移影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

王乃東，賈峻峰，姚仰平*，王 琳

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

針對(duì)冷凝條件下的“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的水氣遷移試驗(yàn)?zāi)M裝置，進(jìn)行不同干密度的北京地區(qū)粉土的水氣遷移試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：不同土體干密度的試驗(yàn)中，均發(fā)生了明顯的水氣遷移導(dǎo)致的土體低溫端含水量增大的現(xiàn)象；隨著土體干密度的增大，土體中水氣遷移的速率隨之下降，土體含水量增大的現(xiàn)象被弱化.因此，提高粉質(zhì)土的干密度，雖不能避免水氣遷移的發(fā)生，但可作為一項(xiàng)防治“鍋蓋效應(yīng)”的有效輔助措施.

鍋蓋效應(yīng)；粉土；溫度；水氣遷移；含水量；干密度

在建筑、機(jī)場(chǎng)、廣場(chǎng)和公路等工程中，建筑地坪、機(jī)場(chǎng)道面、廣場(chǎng)和公路路面等覆蓋物，似一個(gè)“鍋蓋”覆于地基土上.隨著時(shí)間的推移，“鍋蓋”下面會(huì)發(fā)生水分聚集的現(xiàn)象，造成地基土中含水量的增加，該現(xiàn)象被稱為“鍋蓋效應(yīng)”［1］.這種效應(yīng)可能導(dǎo)致地基土的強(qiáng)度降低，引發(fā)地表的不均勻沉降，造成一系列工程災(zāi)害，如道面開裂、路面翻漿和冬季凍脹等.“鍋蓋效應(yīng)”引起的水分集聚，主要源于土體中的水分在溫度梯度下的遷移，因此，對(duì)土體水分遷移及其變化規(guī)律的研究有較重要意義.在早期的文獻(xiàn)中，有人在云南蒙自半干旱地區(qū)，進(jìn)行了大面積覆蓋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［2］，研究表明：覆蓋效應(yīng)會(huì)造成膨脹地基土中的水分向上遷移，但其影響因素主要為液態(tài)水的毛細(xì)作用.目前土體的水分遷移試驗(yàn)研究，主要包括對(duì)液態(tài)水和氣態(tài)水遷移的研究［3-9］，已有試驗(yàn)研究表明：溫度梯度，含水量梯度都會(huì)對(duì)水分的遷移產(chǎn)生明顯影響；同時(shí)，含水量水平、土體密度梯度［5，7-9］也會(huì)影響水分的遷移.但基于“鍋蓋效應(yīng)”條件下的土體水分遷移的試驗(yàn)研究較少，本文擬研究“鍋蓋效應(yīng)”條件下，土體的干密度對(duì)水氣遷移規(guī)律的影響.

1　試驗(yàn)介紹

1.1試驗(yàn)原理

“鍋蓋效應(yīng)”引起的水分聚集的一個(gè)主要因素為水氣冷凝，即水汽遇冷凝結(jié)為液態(tài)水.TETENS提出了水的飽和蒸汽壓（uv，sat）與溫度（T）的關(guān)系［10］：

非飽和土是由氣體、液體與固體組成的多相體系.非飽和土中冷凝過(guò)程的發(fā)生與土壤的溫度和孔隙氣蒸汽壓密切相關(guān).在孔隙氣蒸汽壓不變的情況下，降低溫度，會(huì)使孔隙氣蒸汽壓飽和，從而發(fā)生冷凝.

當(dāng)孔隙氣中水汽遇冷凝結(jié)為液態(tài)水時(shí)，會(huì)出現(xiàn)土體局部氣壓的降低，周圍部分土體中的水汽會(huì)遷移并補(bǔ)充到冷凝區(qū)域，該過(guò)程不斷重復(fù)，直至達(dá)到某種程度的平衡，最終使得冷凝區(qū)域的土體含水量顯著增大.

1.2試驗(yàn)裝置

水氣遷移的簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置由上部制冷器和下部土體室組成，土體試樣內(nèi)徑18 cm，高100 cm，見(jiàn)圖1.制冷器內(nèi)放置冰水混合物，保持溫度為0℃.

1.3試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣為北京地區(qū)粉土，土顆粒比重2.6，土樣的顆粒組成和液塑限參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2.

將準(zhǔn)備好的土樣裝在土體室中，每隔5 cm分層壓實(shí)，以控制壓實(shí)干密度.受試驗(yàn)儀器和壓實(shí)條件的限制，土體裝樣的干密度界限為1.2～1.6 g·cm-3.

圖1　簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置Fig.1 Simple test apparatus

表1　土樣的粒徑組成Table 1 Particles of the soil sample

表2　土樣的液塑限參數(shù)Table 2 The liquid and plastic limit of the soil sample

1.4試驗(yàn)方法

應(yīng)用水氣遷移的簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置，針對(duì)土的干密度對(duì)水氣遷移規(guī)律的影響，共開展了5組試驗(yàn)研究.5組試驗(yàn)分別記為1#、2#、3#、4#和5#，其土樣的初始含水量分別為12.18%、12.47%、12.08%、12.19%和12.42%，試驗(yàn)土樣的干密度依次為1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3、1.4 g·cm-3、1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3.

在室溫條件下，制冷器與土體試樣緊密接觸并密封.已有的相關(guān)試驗(yàn)研究中［7］，多以7 d作為1個(gè)試驗(yàn)周期，由此本研究也采用7 d作為試驗(yàn)周期.試驗(yàn)7 d后，分別在2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm和100 cm深度位置，取土體的中心土樣，測(cè)定質(zhì)量含水量得到試驗(yàn)結(jié)果.

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)完成后，干密度1.2 g·cm-3、1.3 g· cm-3、1.4 g·cm-3、1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3的土樣沿深度的含水量分布曲線分別見(jiàn)圖2（a）、（b）、（c）、（d）和（e）.

圖2　不同干密度的土樣含水量分布曲線Fig.2 Distributions of water content with different dry density for soils

由圖2所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，不同干密度的土樣中，在接觸制冷器的土體區(qū)域，約0～10 cm的深度范圍內(nèi)，均發(fā)生了土體含水量顯著增大的現(xiàn)象；而在土體10～100 cm的深度范圍內(nèi)，土體的總體含水量出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象.因此，各組試驗(yàn)的土體中發(fā)生了水的由下向上遷移，即水向低溫端遷移的現(xiàn)象，符合“鍋蓋效應(yīng)”導(dǎo)致的覆蓋層下土體含水量增大的規(guī)律.

由于試驗(yàn)土體的初始含水量均約12%，含水量一致，因此，在土體中不存在毛細(xì)作用引起的液態(tài)水的遷移，也就是說(shuō)，試驗(yàn)中土體含水量的變化，是氣態(tài)水遷移并冷凝引起的.

以深度2 cm的土體含水量為分析對(duì)象，1#試驗(yàn)的含水量增大了2.69%，2#、3#、4#和5#試驗(yàn)的含水量分別增大了2.03%、1.84%、1.43%和0.89%，可見(jiàn)，經(jīng)7 d試驗(yàn)時(shí)間，在低溫端土體含水量增大的程度逐漸減小，即土體中向低溫區(qū)域的水氣遷移量逐漸減少.

針對(duì)上述試驗(yàn)規(guī)律，分析其原因應(yīng)為：隨著土體干密度越大，土體孔隙比也就越小.而土體中水氣是通過(guò)土顆粒之間的孔隙通道進(jìn)行遷移的.當(dāng)土體孔隙比變小時(shí)，孔隙通道變小變窄，在相同試驗(yàn)條件下，水氣的遷移量也就隨之減少.可見(jiàn)，提高粉質(zhì)土的干密度，雖然不能避免水氣遷移的發(fā)生，但能減緩水氣遷移的速率，弱化“鍋蓋效應(yīng)”引起的含水量增大的現(xiàn)象.

3　結(jié) 論

本文針對(duì)冷凝條件下的“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象，試驗(yàn)研究了粉土干密度對(duì)土體中水氣遷移規(guī)律的影響，得到結(jié)論如下：

（1）針對(duì)不同的土體干密度，冷凝條件下“鍋蓋效應(yīng)”的試驗(yàn)，均發(fā)生了顯著的土體含水量增大現(xiàn)象；

（2）干密度不同，即土體孔隙比的改變，會(huì)顯著影響土體水氣遷移的速率或進(jìn)程，隨著土體干密度的增大，在相同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，“鍋蓋效應(yīng)”冷凝條件下的水分遷移量逐漸減少；

（3）僅提高土體干密度，不能避免水氣遷移的發(fā)生，但能夠減緩或弱化冷凝條件下的水氣遷移現(xiàn)象；

因此，提高粉質(zhì)土的干密度，可作為防治“鍋蓋效應(yīng)”的一種輔助措施或處理方法.

［1］ 李強(qiáng)，姚仰平，韓黎明，等.土體的“鍋蓋效應(yīng)”［J］.工業(yè)建筑，2014，44（2）：69-71. LI Q，YAO Y P，HAN L M，et al.Pot-cover Effect of soil［J］.Ind Constr，2014，44（2）：69-71.

［2］ 陳林.膨脹土地基的覆蓋效應(yīng)［J］.工程勘察，1991（6）：12-17. CHEN L.Cover effect of expansive soil foundation［J］.Geotech Invest Surv，1991（6）：12-17.

［3］ 盧靖.非飽和黃土水分遷移問(wèn)題的試驗(yàn)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006. LU J.Research on the experimentation of moisture movement in unsaturated loess soils［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2006.

［4］ 賀再球.非飽和土氣態(tài)水遷移規(guī)律及其與液態(tài)水混合遷移的耦合計(jì)算［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2004. HE Z Q.Study of water vapor transfer and coupled calculation of vapor and liquid water in unsaturated soil［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2004.

［5］ 魯興社.非飽和黃土氣態(tài)水與液態(tài)水遷移的試驗(yàn)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2010. LU X S.Unsaturated loess water vapor and liquid water migration study［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2010.

［6］ 李述訓(xùn)，程國(guó)棟.凍融土中的水熱運(yùn)輸問(wèn)題［M］.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1995. LI S X，CHENG G D.Water and heat transport in freezing and thawing soil［M］.Lanzhou：Lanzhou University Press，1995.

［7］ 王鐵行，賀再球，趙樹德，等.非飽和土體氣態(tài)水遷移試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（18）：3271-3275. WANG T H，HE Z Q，ZHAO S D，et al.Experimental study on vaporous water transference in loess and sandy soil［J］. Chin J Rock Mech Eng，2005，24（18）：3271-3275.

［8］ 王鐵行，陸海紅.溫度影響下的非飽和黃土水分遷移問(wèn)題探討［J］.巖土力學(xué)，2004，25（7）：1081-1084. WANG T H，LU H H.Moisture migration in unsaturated loess considering temperature effect［J］.J Rock Soil Mech，2004，25（7）：1081-1084.

［9］ 孫建樂(lè).非飽和土水分遷移試驗(yàn)研究［J］.西部探礦工程，2007，19（7）：36-38. SUN J L.Experimental study on water migration in unsaturated soil［J］.West-China Explor Eng，2007，19（7）：36-38.

［10］TETENS O.Uber einige meteorologische Begriffe［J］.Z Geophys，1930，6：297-309.

【責(zé)任編輯：孫向榮】

Influence of dry density in soil to“Pot-cover Effect”

WANG Nai-dong，JIA Jun-feng，YAO Yang-ping，WANG Lin
（School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

To study the“Pot-cover Effect”phenomenon，a simple test and its apparatus are designed.A series of moisture migration test were carried on Beijing soils in different dry density.The test results bear the following findings：the water content mounts up in every moisture migration test on soils in different dry density；when the void ratio of soil reduces，the speed of moisture migration slows down as well.As a result，increasing the dry density of soils can be an effective supplementary approach against the“Pot-cover Effect”phenomenon.

Pot-cover Effect；soils；temperature；moisture migration；water content；dry density

TU 411.91

A

1671-4229（2016）03-0070-03

2015-12-17；

2016-01-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014CB047006）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209002）

王乃東（1981-），講師，博士.E-mail：wangnd@buaa.edu.cn

.E-mail：ypyao@buaa.edu.cn