泥灰?guī)r膨脹土填料壓實(shí)含水率控制預(yù)估計(jì)算方法

秦梓航 王金龍 蔣植潔 梁軍林＊ 容洪流 巫志文

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004；3.廣西大學(xué)廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530004；4.廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西南寧 530004）

泥灰?guī)r膨脹土指黏粒含量大于50%，具有高液限、高塑性的特殊黏土，其分布具有明顯地域性特征，在南寧盆地較為常見。膨脹土的天然含水率大，若直接用于路基填筑，易引起路堤沉降和邊坡溜塌等工程問題。其工程性質(zhì)較差，但經(jīng)過相關(guān)技術(shù)處理仍能夠用作路基填料，以解決借土棄方和生態(tài)破壞的問題[1]，尋求降低含水率的壓實(shí)控制方法是保證工程質(zhì)量和安全性的重要途徑。

翻曬是工程中常用的提高稠度、降低含水率的方法，是土體與大氣相互作用的過程，受氣溫、地溫、濕度、風(fēng)等外界因素和土體性質(zhì)的影響[2]。劉闖[3]、趙亞黨[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法，總結(jié)了花崗巖殘積土填料翻曬性能的影響因素，但該方法僅對翻曬效果展開定性研究，且試驗(yàn)參數(shù)測定周期長，難以在工程中快速應(yīng)用。目前，工程界對于翻曬時(shí)間的控制僅憑經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)取得，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量及施工效率。本文以理論計(jì)算的方法探討翻曬的影響因素及評價(jià)翻曬對于降低土體填料含水率的效果，建立土體填料含水率控制評價(jià)體系，提高工程質(zhì)量及施工效率，具有重大工程意義。

本文通過引入蒸汽擴(kuò)散系數(shù)，直接建立擴(kuò)散系數(shù)與蒸發(fā)量的關(guān)系，簡化土體蒸發(fā)量的計(jì)算方法，評價(jià)翻曬對降低土體含水率的效果，用于預(yù)估路基填料翻曬時(shí)間，具有理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 土體蒸發(fā)計(jì)算理論

1.1 蒸發(fā)量的計(jì)算

采取攤鋪現(xiàn)場翻曬措施時(shí)，可根據(jù)蒸發(fā)量計(jì)算翻曬達(dá)到要求的含水率時(shí)所需的時(shí)間，蒸發(fā)量計(jì)算，如下：

式中：q——土面蒸發(fā)量[g/（m2·s）]；D——蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，取2.82×10-5/（m2·s）；ρsat——飽和蒸汽的密度（g/m3），飽和蒸汽的密度與大氣影響因素有關(guān)，與蒸汽壓呈線性變化關(guān)系，如下：

式中：Mw——水分子的摩爾質(zhì)量，取18.016 g/mol；R——理想氣體常數(shù)，取8.13 J/（mol·K）；T——熱力學(xué)溫度（K）；uv——蒸汽壓（kPa），蒸汽壓計(jì)算：

式中：φ——土層平均相對濕度（表示形式為小數(shù)）；uvsat——飽和蒸汽壓。

按照水分遷移機(jī)理，土表蒸發(fā)可分為兩個(gè)階段，第一階段，液體分子通過擴(kuò)散運(yùn)動從蒸發(fā)面遷移到土層表面；第二階段，水蒸氣以層流或紊流形式自由逸到大氣中[5]。在第一階段內(nèi)，特定溫度下，土體內(nèi)部氣相壓力與液相壓力達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)的蒸汽壓即為飽和蒸汽壓，飽和蒸汽壓uvsat計(jì)算如下：

由上式可看出，飽和蒸汽壓隨溫度的升高而增加，在溫度一定時(shí)，土體內(nèi)部飽和蒸汽壓為一定值。

1.2 分散系數(shù)的計(jì)算

有風(fēng)條件下，擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)采用分散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)與分散系數(shù)量綱相同，關(guān)系如下：

式中：E——分散系數(shù)[/（m2·s）]；v——風(fēng)速（m/s）；D——擴(kuò)散系數(shù)[/（m2·s）]；d——顆粒直徑（m）。

1.3 翻曬時(shí)間的計(jì)算

每平方米蒸發(fā)水量，如下：

式中：ρd——土體干密度（g/cm3）；s——面積（m2）；w——蒸發(fā)水量（g）；h——松鋪厚度（m）；w0——初始含水率（以小數(shù)表示）；wh——晾曬所要求含水率（以小數(shù)表示）。

翻曬時(shí)間計(jì)算，如下：

式中：t——時(shí)間（h）；w——蒸發(fā)水量（g）；q——土面蒸發(fā)量[g/（m2·s）]。

2 工程算例

本文選取新柳南高速公路服務(wù)區(qū)某膨脹土路基壓實(shí)填筑為例，填料液限為56%，塑限為29%，塑性指數(shù)為27，天然含水率為28%，天然稠度為1.04。擬采用現(xiàn)場翻曬措施降低含水率，使稠度提高到1.15左右，則含水率應(yīng)降低至25%以下。空氣相對濕度為50%，溫度為30%；土層松鋪厚度為0.20 m，土層底面相對濕度為90%，溫度為20%。土樣的干密度（松鋪）為1.20 g/cm3，試計(jì)算蒸發(fā)量及翻曬時(shí)間。

（1）無風(fēng)條件下。代入數(shù)據(jù)，飽和蒸汽壓為4.249 kPa，飽和蒸汽密度為15.53 g/m3，蒸發(fā)量為4.26×10-4g/（m2·s）。含水率由28%降至25%時(shí)，每平方米需要蒸發(fā)的水量為7 200 g，所需翻曬時(shí)間為196 d。

計(jì)算結(jié)果表明：無風(fēng)條件下通過擴(kuò)散使0.2 m的土層含水率降低到符合壓實(shí)要求，所需時(shí)間達(dá)196 d，在工程中不可行。

（2）有風(fēng)條件下。風(fēng)速與風(fēng)力分級的關(guān)系如表1所示。

表1 風(fēng)速與風(fēng)力等級的關(guān)系

例如，土體顆粒直徑為2.0 mm，風(fēng)力等級5級，風(fēng)速為8.0 m/s，分散系數(shù)為0.032/（m2·s）；將分散系數(shù)代替擴(kuò)散系數(shù)，蒸發(fā)量為0.483 6 g/（m2·s），所需翻曬時(shí)間為4.14 h。計(jì)算結(jié)果表明：風(fēng)速為8.0 m/s時(shí)，翻曬時(shí)間可縮短為4.14 h，翻曬效果主要取決于風(fēng)速，有風(fēng)條件下翻曬可行。如果土團(tuán)直徑小于2 mm，分散系數(shù)中風(fēng)速影響項(xiàng)的系數(shù)將有所增大，但分散系數(shù)隨粒徑變小而線性降低，因此細(xì)粒土較難以翻曬。

（3）現(xiàn)場實(shí)測含水率。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場填料含水率是否吻合，采取烘干法測量同一水平填筑層不同檢驗(yàn)點(diǎn)位的實(shí)際含水率，檢驗(yàn)點(diǎn)位布置如圖1所示，各點(diǎn)位含水率平均實(shí)測值如表2所示。

圖1 檢驗(yàn)點(diǎn)位布置圖

表2 各點(diǎn)位平均含水率值 單位：%

由表2可知，經(jīng)過翻曬處理后的實(shí)際含水率與計(jì)算含水率比較吻合，含水率誤差不超過1%。導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的原因是天然土堆在大氣干濕循環(huán)作用下不同深度土體內(nèi)存在濕度差，填料在搬運(yùn)過程中不可避免的水分流失。因此，測試結(jié)果驗(yàn)證了蒸發(fā)量計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，為工程界預(yù)估填料翻曬時(shí)間提供借鑒。

3 結(jié)語

本文基于熱力學(xué)控制方程，考慮擴(kuò)散系數(shù)與大氣影響因素，提出了蒸發(fā)量簡化計(jì)算公式，參數(shù)簡單易測，避免了大量復(fù)雜的邊界條件，有利于工程應(yīng)用。通過比對現(xiàn)場翻曬處理后的土體實(shí)測含水率，驗(yàn)證了蒸發(fā)量計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

由計(jì)算結(jié)果可知，翻曬在特定條件下可達(dá)到降低土體含水率的目的，翻曬的效果主要取決于風(fēng)速和顆粒直徑，其中以風(fēng)速最為明顯。