粉黏粒含量對天然砂礫石毛細作用的影響研究

劉杉，張飛龍，夏才園

（長安大學公路學院，陜西　西安　710064）

粉黏粒含量對天然砂礫石毛細作用的影響研究

劉杉，張飛龍，夏才園

（長安大學公路學院，陜西西安710064）

為研究粉黏粒含量對新疆天然砂礫石毛細作用的影響，通過改變粉黏粒含量，對取自新疆S201線某試驗段所用路基填料（天然砂礫石）進行室內鹽水毛細水上升高度試驗，得出了不同粉黏粒含量砂礫石毛細水上升高度分別隨時間和砂礫石中粉黏粒含量的變化情況，并通過回歸分析得出了毛細水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量的關系式。試驗結果表明，粉黏粒含量對砂礫石毛細水上升高度有顯著影響，毛細水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量成對數(shù)遞增關系，增長速度先快后慢；對新疆天然砂礫石毛細作用增強最大的粉黏粒含量為0～5％。

公路；粉黏粒含量；天然砂礫石；毛細水上升高度

鹽脹一直是新疆硫酸鹽漬土地區(qū)公路工程的主要病害之一。在外界條件變化時，土中粉末狀或液態(tài)硫酸鹽吸水結晶產生體積膨脹是路基鹽脹形成的主要原因。造成鹽脹的物質基礎是土體中硫酸鹽的存在及遷移，而毛細水上升是促使鹽水向上遷移聚積的主要途徑之一。國內外研究證明鋪設隔斷層以隔斷向上遷移的鹽分和水分，是防止路基鹽脹的有效處理措施。新疆硫酸鹽漬土地區(qū)砂礫石資源豐富，常被用作路基填料或隔斷層。砂礫石路基或隔斷層不僅可隔斷毛細水上升，而且可增加路基的整體強度，控制或削弱路基的不均勻變形。但經過調查發(fā)現(xiàn)，許多采用砂礫石路基或隔斷層的公路運營一段時間后也會發(fā)生鹽脹破壞。取樣研究發(fā)現(xiàn)砂礫料中存在不同數(shù)量的粉質黏土顆粒。為了研究毛細水上升高速與砂礫料中粉黏粒含量之間的關系，該文依托新疆S201線試驗段項目，對新疆天然砂礫石進行毛細水上升高度試驗，通過改變砂礫石中粉黏粒含量，觀測鹽水毛細水上升高度的變化，為新疆鹽漬土地區(qū)公路路基設計、施工控制及病害防治等提供理論與技術參考。

1　豎管法毛細水上升高度試驗概況

1.1試驗原理

豎管法毛細水上升高度試驗原理是基于毛細水作用機理。土是由土顆粒（固相）、水（液相）及氣體（氣相）三種物質構成的集合體，其中存在許多大小不同、形狀各異、隨機分布的孔隙，這些孔隙形成水分遷移的通道和水分滯留的場所。固相基質的化學成分、礦物組成、級配、顆粒大小、顆粒形狀、排列順序等決定土體中孔隙的形狀、大小、毛細管彎曲度、連通性等空間分布特征，這些也是影響毛細水上升高度的主要因素?？梢詫⑼林呕癁榫哂薪y(tǒng)計分布規(guī)律的平行毛細管束模型，在該模型中，水分的橫向分布根據(jù)毛細力、重力、吸附力的綜合作用按毛細管的統(tǒng)計分布從毛細力較大的小孔隙依次向毛細力較小的大孔隙進行，最終形成小孔隙充水（微觀飽和）。土粒與水分子之間產生的吸附力或毛細力使單位重水體產生一種能量，做功后（忽略摩擦損失）轉化為等量的重力勢能，表現(xiàn)為毛細水上升高度，從而達到豎管法毛細水上升高度試驗的效果。

1.2試驗準備

試驗所用砂礫石取自新疆S201線某試驗路所用路基填料，粉質黏土取自西安北郊某基坑，土樣呈黃褐色，液限為30.6％，塑限為18.1％，塑性指數(shù)為12.5。

取具有代表性的風干砂礫石、粉質黏土，分別配置黏粒含量為0、5％、10％、15％、20％、30％的試樣并記為試樣1、2、3、4、5、6。配置一定質量的含鹽量為5％的鹽水。

1.3試驗設備

毛細水試驗系統(tǒng)由試驗架、有機玻璃試驗管、馬氏瓶、塑料管、鋼卷尺及直尺等構成（見圖1）。有機玻璃試驗管高200 cm，內徑20 cm，在距零點1 cm處開一排氣小孔，管頂有可以通氣的鋁蓋，底座上配有橡皮墊圈和銅絲網。在有機玻璃管外側固定有鋼卷尺，以便觀測毛細水上升高度。

圖1　毛細水試驗系統(tǒng)

其他試驗設備主要用于試驗前的準備，包括烘箱、漏斗、天平（感量0.01 g）、振搗棒等。

1.4試驗步驟

（1）裝好毛細水上升高度試驗儀器，墊好底座的墊圈和銅絲網，擰緊有機玻璃試驗管，固定管身，使其垂直。

（2）取已配好的試樣1，分數(shù)次裝入有機玻璃管1中，并用振搗棒不斷搗實，使其密實度均勻。當試樣裝至160 cm處時結束裝樣。依次按試驗要求將試樣2～6分別裝入有機玻璃管2～6中。試樣1～ 6高均為160 cm，直徑20 cm。

（3）將配制好的含鹽量為5％的鹽水裝入馬氏瓶中，用固定在馬氏瓶上的直尺控制馬氏瓶水面比有機玻璃管零點高出1.0 cm，且使供水水位保持不變。

（4）接通塑料管和有機玻璃管底部的接口，打開排氣孔使空氣排出，直到孔內有水流出時擰緊螺帽。

（5）從小孔有水排出時計起，經0.5、1、2、5、7、9、11、14、18、22、24 h，以后每隔1 d，根據(jù)管中試樣的顏色，讀取并記錄此時毛細水上升高度，直至上升穩(wěn)定為止，試驗結束。

2　試驗結果分析

經過42 d試驗，得出6個不同粉黏粒含量試樣中毛細水上升高度隨時間的變化曲線（見圖2）及毛細水上升最大高度（見表1）。

圖2　不同粉黏粒含量毛細水上升高度隨時間變化曲線

表1　不同粉黏粒含量毛細水上升最大高度

從圖2可以看出：無論砂礫石中粉黏粒含量多少，毛細水上升趨勢基本上是在試驗初期上升速度較快，之后逐漸減慢。分析其原因如下：在該試驗中，基質勢和重力勢是引起試件中水分遷移的主要因素，基質吸力作用使水分向上遷移，而試件中水分自重在水分由下向上遷移過程中起相當于反向力的作用，不利于水分向上遷移。在試驗初期，毛細水上升高度較小的情況下，基質吸力做功遠大于重力勢，所以毛細水上升速度較快；隨著毛細水上升高度的增加，試樣中水分重力勢逐漸增大，而基質吸力的作用減弱，毛細水上升速度隨之逐漸變慢。當基質吸力與毛細水柱重力勢達到平衡時，毛細水不再上升，達到毛細水上升最高點。

從表1可以看出：砂礫石中不含粉黏粒時，毛細水上升高度僅為37.5 cm；砂礫石中粉黏粒含量為5％時，毛細水上升高度為75.4 cm，增加37.9 cm。當砂礫石中粉黏粒含量由5％、10％、15％、20％分別增加至10％、15％、20％、30％時，毛細水上升高度分別增加11.3、8、4.8、7.5 cm?？梢?，隨著砂礫石中粉黏粒含量的增加，毛細水上升高度的增長速度逐漸減緩（見圖3）。

圖3　毛細水上升高度隨砂礫石中粉黏粒含量的變化曲線

由圖3可以看出毛細水上升高度與粉黏粒含量呈對數(shù)遞增關系。經回歸分析，得計算公式為：

式中：Y為毛細水上升高度（cm）；X為砂礫石中粉黏粒含量（％）。

毛細水上升高度與粉黏粒含量呈對數(shù)增長趨勢，進一步證明毛細水上升高度隨砂礫石中粉黏粒含量的增加而增大，增長速度先快后慢。分析其原因，當砂礫石中不含粉黏粒時，試樣顆粒間的孔隙粗大，毛細作用較弱，因而毛細水上升高度較小。隨著砂礫石中粉黏粒含量的增加，試樣顆粒間孔隙體積逐漸變小、數(shù)量逐漸增加，毛細作用逐漸增強，毛細水上升高速度較快。毛細水的上升速度與試樣毛細管的通暢性有關，當砂礫石中粉黏粒含量繼續(xù)增加時，粉質黏土顆粒吸附的結合水膜厚度增加，減小了試樣中孔隙的有效直徑，使毛細水上升時受到很大阻力，因而上升速度減緩。當試樣顆粒間的孔隙完全被結合水充滿時，毛細水也就停止上升了。

3　結論

（1）粉黏粒含量對砂礫石毛細水上升高度有顯著影響，毛細水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量呈對數(shù)遞增關系，增長速度呈先快后慢的趨勢。

（2）粉黏粒含量由0、5％、10％、15％、20％分別增加到5％、10％、15％、20％、30％時，砂礫石毛細水上升高度分別增加37.9、11.3、8、4.8、7.5 cm，對新疆天然砂礫石毛細作用增強最大的粉黏粒含量為0～5％。因此，在新疆鹽漬土地區(qū)將天然砂礫石用作路基填料或隔斷層時，必須將砂礫石中的粉黏粒去除，以避免阻鹽、阻水失效造成較大鹽脹破壞。

（3）砂礫石中不含粉黏粒時，鹽水毛細水上升高度為37.5 cm，證明砂礫石有阻水、阻鹽功能，在路基工程中可作為隔斷層使用。

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2015-06-25