水分遷移對高山草甸區(qū)非凍結(jié)路基土的影響

孟屯良， 魏 進(jìn)， 吳冠慶， 黃 璜

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司， 西安 710075； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064)

在中國，季節(jié)性凍土面積約513.7×104km2[1]。青藏高原地區(qū)分布著大量的長年凍土和季節(jié)性凍土，屬于典型的高山草甸區(qū)，道路凍脹翻漿等病害大量發(fā)生。凍脹翻漿的主要原因是水分遷移。目前凍土(包括正凍土和已凍土)中的水分遷移，已被視為土凍結(jié)作用中的核心問題之一，受到世界上許多國家的重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，除中國外，目前開展這類研究的主要有美國、俄羅斯、加拿大等國家[2]。道路凍害是影響這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題之一。

關(guān)于水分遷移在凍土中的影響。李楊等[3]研究了東北地區(qū)水分遷移對季凍土的凍融影響。Taber[4]通過對圓柱形黏土試樣進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)冷卻表面水分遷移現(xiàn)象比較明顯。Iwata[5]研究了凍結(jié)黏土中水分遷移的驅(qū)動力，并分兩部分進(jìn)行研究：一是凍土段內(nèi)水分遷移驅(qū)動力，通過理論推導(dǎo)確定了溫度梯度是凍土段內(nèi)水分遷移的主要驅(qū)動力；二是水分從未凍土段到凍土段的遷移驅(qū)動力，發(fā)現(xiàn)未凍土段到凍土段水分遷移驅(qū)動力主要取決于凍結(jié)前緣相接處的未凍部分水的過冷溫度。高玉佳等[6]研究了溫度對季節(jié)性凍土水分遷移特征的影響，結(jié)果表明地表溫度降低導(dǎo)致土中溫度梯度增加，促進(jìn)了季節(jié)性凍土中的水分遷移過程。秦愛芳等[7]對上海特有黏土進(jìn)行凍脹特性及水分遷移試驗(yàn)研究，利用CT掃描技術(shù)分析了凍結(jié)試驗(yàn)后土樣的水分遷移情況，得出各土樣冷端含水率大于自由端，并對凍結(jié)后土體含水率與土體凍脹率及凍脹力之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。王英浩等[8]對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)一個凍融周期內(nèi)不同深度的溫度和含水量進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析溫度對水分遷移規(guī)律，得出渠道邊坡中上部水分遷移量比下部小。曹成等[9]研究了土體在不同性狀下水分遷移的現(xiàn)象。Haverkamp等[10]研究了土體非飽和帶和滲流帶的水分遷移，提出了土體物理性質(zhì)和水分特征相關(guān)的非飽和土體水流方面的概念，表明土體的水力特性有不同功能特性，并解決了在不同的水力特性、預(yù)測方法及測量范圍下土體的水力特性。

產(chǎn)生凍脹、翻漿病害的重要原因?yàn)樗诌w移。從以往研究來看，對高山草甸區(qū)非凍結(jié)路基土的水分遷移研究較少。現(xiàn)以貢覺至芒康公路改擴(kuò)建工程為依托，該段所處地區(qū)海拔高度在4 000～4 600 m，屬于典型的高山草甸區(qū)。該段全線凍脹翻漿病害段落244段，影響路線長達(dá)27 567 m，尤其是細(xì)粒土含量較多地段凍脹、翻漿較為嚴(yán)重。為了獲得路基土在非凍結(jié)條件下的入流通量與細(xì)顆粒含量、初始含水率等影響因素的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了路基土在非凍結(jié)條件下的水分遷移試驗(yàn)。相應(yīng)的研究成果可以幫助人們在高山草甸區(qū)中，明晰水分在非凍結(jié)路基填土中的遷移規(guī)律。從而控制路基土的填筑最小高度的范圍，同時采取相應(yīng)的措施防止路基土的凍脹、翻漿等病害的發(fā)生。

1 非凍結(jié)路基土水分遷移試驗(yàn)

毛管力和土粒表面的吸附力是土中毛細(xì)管產(chǎn)生的，其引起的吸持水分的能力為基質(zhì)勢[11]。為了在消除基質(zhì)勢對入流通量影響的前提條件下建立與細(xì)顆粒含量、凍融歷史等影響因素有關(guān)的遷移勢模型，設(shè)計(jì)了路基土在非凍結(jié)條件下的水分遷移試驗(yàn)。根據(jù)馮寶平等[12]的研究成果，當(dāng)室內(nèi)溫度大于15 ℃，且溫差小于10 ℃時，溫度的變化對水分運(yùn)動的影響可忽略。因此在非凍結(jié)路基土水分遷移試驗(yàn)中，不考慮室內(nèi)溫度的影響。

1.1 試驗(yàn)用土

為研究細(xì)顆粒含量對非凍結(jié)路基土水分遷移能力的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四組級配良好的不同細(xì)顆粒含量土樣，分別為13%、16%、19%、22%的土樣。土樣粒徑級配結(jié)果如表1所示，級配曲線如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所采用的非凍結(jié)路基土水分遷移裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖如圖2、圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究單一變量細(xì)顆粒含量、初始含水率對非凍結(jié)路基土的總?cè)肓髁考叭肓魍康挠绊?，通過控制變量的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)：①相同初始含水率，不同細(xì)顆粒含量的土樣進(jìn)行路基土水分遷移試驗(yàn)；②相同細(xì)顆粒含量，不同初始含水率的土樣進(jìn)行路基土水分遷移試驗(yàn)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

1.3.2 試驗(yàn)方法及步驟

(1)土樣制備：①對現(xiàn)場土樣進(jìn)行風(fēng)干、篩分、分組、標(biāo)號；②按照表1試驗(yàn)用土顆粒級配配制土樣，取兩組一定量土測定風(fēng)干含水率。配制試驗(yàn)所需含水率的土樣，將水均勻噴灑于土樣上，充分拌勻后裝入密封的塑料袋內(nèi)，再放入保濕器內(nèi)進(jìn)行悶料，濕潤一晝夜。

表1 試驗(yàn)土樣顆粒級配設(shè)計(jì)

圖1 粒徑級配曲線Fig.1 Grain size gradation curve

1為計(jì)算機(jī)；2為水分傳感器采集系統(tǒng)；3為土樣筒；4為水分傳感器；5為頂板；6為排氣孔；7為橡膠管；8為馬里奧特瓶；9為進(jìn)水孔；10為水槽；11為塑料膜；12為土樣圖2 水分遷移裝置Fig.2 Moisture movement device

圖3 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.3 Physical figure of test device

(2)試驗(yàn)步驟：①按照要求的干密度分層(每層5 cm)裝入土樣。根據(jù)土樣筒的容積、干密度、含水率計(jì)算每層土樣所需的濕土質(zhì)量，將土樣擊實(shí)至450 mm處；②把土樣筒頂端密封，在玻璃圓板上鉆取直徑2 mm的排氣孔；③在試驗(yàn)筒側(cè)壁的小孔中插入水分傳感器；④將土樣筒放進(jìn)水槽內(nèi)靜置一夜；⑤第2天用橡膠管連接水槽與馬氏瓶，往水槽內(nèi)加水至土柱底端上部3 cm處，打開馬氏瓶，根據(jù)馬氏瓶中玻璃管內(nèi)水面的位置，調(diào)節(jié)玻璃管內(nèi)水面位置，使其與玻璃管下管口在同一水平面上，并密封水槽；⑥連接水分傳感器與采集卡，在計(jì)算機(jī)上設(shè)置每隔十分鐘采集一次；⑦試驗(yàn)結(jié)束后，取兩組不同高度處的土樣，用烘干法測量質(zhì)量含水率。

表2 試驗(yàn)分組

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 毛細(xì)水上升高度變化分析

當(dāng)初始含水率為9%時，對細(xì)顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土樣試驗(yàn)后土體平均含水率增量及毛細(xì)水上升高度的變化進(jìn)行對比分析。

2.1.1 土體含水率與細(xì)顆粒含量的變化規(guī)律

由圖4可見，土體含水率分布曲線隨著細(xì)顆粒含量的增加逐漸向右移動，表現(xiàn)為試驗(yàn)后土體含水率增量增加，毛細(xì)水上升高度增加。這一現(xiàn)象表明土體水分遷移能力與細(xì)顆粒含量成正比關(guān)系；土體含水率從下到上逐漸減小，即下部土體含水率增量要大于上部土體含水率增量。

圖4 不同細(xì)粒含量土體含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of soil moisture content with different fine particle content

2.1.2 土體平均含水率增量及毛細(xì)水上升高度與細(xì)顆粒含量的變化規(guī)律

(1)

Δω=ωu-ωi

(2)

由圖5可知，細(xì)顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土體平均含水率增量分別為0.513 7%、0.744 7%、0.877 6%、0.991 6%；毛細(xì)水上升高度分別為24、32、36、40 cm。從圖4可見，土體平均含水率增量及毛細(xì)水上升高度隨著細(xì)顆粒含量的增加而線性增加。原因可能是：隨著細(xì)顆粒物含量的增加，土體活性比表面積增大，導(dǎo)致土中水所受的束縛能增大，以及土水勢減小(負(fù)壓增大)從而遷移動力增大；隨著細(xì)顆含量的增加，土體的平均毛細(xì)孔徑減小。

毛細(xì)水上升高度經(jīng)驗(yàn)公式為

(3)

式(3)中：H為毛細(xì)水上升高度；σ為表面張力系數(shù)；β為接觸角；γ為毛管半徑；ρ為水的密度；g為重力加速度。

水分遷移對土體的力學(xué)性能長期發(fā)生顯著的改變，其中毛細(xì)屏障對毛細(xì)水上升和滲流起著主要作用，降低土中的水分遷移運(yùn)動[13]。由此可知，土體孔隙半徑越大毛細(xì)水上升高度越大，原因是較大且不連通的孔隙不易形成了水分遷移的通道。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[14]及地勘報告，結(jié)合試驗(yàn)所得結(jié)果，經(jīng)計(jì)算各土樣路堤填土最小高度均不大于1.5 m，因此建議細(xì)顆粒含量小于22%的路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

2.1.3 試驗(yàn)后土體含水率變化規(guī)律云圖

圖6可較為直觀地觀察到土體含水率隨著細(xì)顆粒含量增加而增加，且隨著土體高度的增加而減小；還可以直觀地觀察到土體含水率增量及毛細(xì)水上升高度隨細(xì)顆粒含量的變化規(guī)律。

圖與細(xì)顆粒含量變化曲線Fig.5 Change curve of H and fine particle content

圖6 試驗(yàn)后不同細(xì)顆粒含量土體含水率分布云圖Fig.6 Cloud chart of moisture content distribution of soil with different fine particle content after test

2.2 總?cè)肓髁考叭肓魍孔兓治?/h3>

2.2.1 細(xì)顆粒含量的影響

當(dāng)初始含水率為9%時，對細(xì)顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土體的總?cè)肓髁考叭肓魍侩S時間變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。

(1) 時間對土體總?cè)肓髁康挠绊?。土體總?cè)肓髁?Q)為單位面積上外界水的累積補(bǔ)給量，其表達(dá)式為

(4)

式(4)中：Qt為外界水累積補(bǔ)給量，mL；A為土柱橫截面面積，cm2。

由圖7可知，土體總?cè)肓髁孔兓€逐漸上移，表現(xiàn)為拱形，斜率逐漸減小，隨著細(xì)顆粒含量的增加，表現(xiàn)為土體總?cè)肓髁侩S著細(xì)顆粒含量的增加而增加。對細(xì)顆粒含量分別為13%、16%、19%、22%的土樣的總?cè)肓髁侩S時間變化曲線進(jìn)行擬合，并對擬合方程求其試驗(yàn)時間的導(dǎo)數(shù)，所得方程即為入流通量與時間的變化關(guān)系方程，其結(jié)果如表3所示。

圖7 不同細(xì)顆粒含量土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線Fig.7 Variation curve of total inflow rate of soil samples with different fine particle content with time

從表3可以看出，不同細(xì)顆粒含量的土樣總?cè)肓髁侩S時間的變化曲線均可用冪函數(shù)Q=At0.5+B表示，且相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，進(jìn)一步對A、B與細(xì)顆粒含量(X)進(jìn)行回歸分析，得到A、B與細(xì)顆粒含量(X)的關(guān)系式為

A=1.196X-417，R2=0.984 8

(5)

B=-2.015X+17.028，R2=0.969 8

(6)

(2)時間對土體入流通量的影響。入流通量q單位時間通過單位面積的外界水補(bǔ)給量，其表達(dá)式為

(7)

式(7)中：q為入流通量，cm/h；Q為總?cè)肓髁?，mL/cm2；t為試驗(yàn)時間，h。

從圖8可知，入流通量隨時間的變化在試驗(yàn)開始時最大，之后減??；入流通量在試驗(yàn)前期迅速下降，后期緩慢下降，即入流通量在短時間內(nèi)衰減迅速[15]；隨著細(xì)顆粒含量的增加，入流通量變化曲線逐漸上移，表現(xiàn)入流通量隨著細(xì)顆粒含量的增加而增加。

對各土樣的總?cè)肓髁颗c時間的變化曲線進(jìn)行擬合，并求其試驗(yàn)時間(t)的導(dǎo)數(shù)，得到入流通量(q)與時間(t)的變化關(guān)系方程，如表4所示。

(3)土體在與凍結(jié)完成相同時間(t)時的總?cè)肓髁考叭肓魍侩S細(xì)顆粒含量變化規(guī)律。

圖9中，分別對不同細(xì)顆粒含量土體在60、132、

表3 土體總?cè)肓髁颗c試驗(yàn)時間擬合公式

圖8 不同細(xì)粒含量土樣入流通量隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of inflow flux of soil samples with different fine particle content with time

204 h時總?cè)肓髁?Q)及入流通量(q)隨細(xì)顆粒含量(X)的變化曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如表5所示。

由圖9可知，土樣的總?cè)肓髁考叭肓魍烤S細(xì)顆粒含量的增加線性增加，分析原因：一定細(xì)顆粒含量范圍內(nèi)，隨著細(xì)顆粒含量的增加，土樣活性比表面積增大和平均毛細(xì)半徑減小，導(dǎo)致土中水所受的束縛能增大及土水勢減小(負(fù)壓增大)，水分遷移動力增大[1]。

2.2.2 初始含水率影響

當(dāng)細(xì)顆粒含量(X)為19%、22%時，對不同初始含水率的土體總?cè)肓髁考叭肓魍侩S時間的變化規(guī)律(圖10)進(jìn)行對比分析。

從圖10可以看出，對于細(xì)顆粒含量為19%，當(dāng)初始含水率為11%和12%時，土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線表現(xiàn)為“S”形，且有明顯拐點(diǎn)，即入流通量隨時間變化曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)，試驗(yàn)前期入流通量增加較快，達(dá)到峰值后開始緩慢減小；對于細(xì)顆粒含量為22%，初始含水率為9%和11%的土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線表現(xiàn)為拱形，當(dāng)初始含水率增加到12%時，土樣總?cè)肓髁侩S時間變化表現(xiàn)為“S”形，有明顯拐點(diǎn)，入流通量隨時間變化曲線表現(xiàn)出峰值點(diǎn)。原因是隨著初始含水率的增加，土樣的土水勢減小，吸附水的能力減弱，試驗(yàn)前期外界水入流出現(xiàn)滯后現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始含水率為11%時，細(xì)顆粒含量為19%的土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線表現(xiàn)為“S”形，而細(xì)顆粒含量為22%的土樣卻表現(xiàn)為拱形，說明土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線隨著細(xì)顆粒含量的增加，土樣同樣出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。原因是隨著細(xì)顆粒含量的增加，土樣比表面積增大，吸附水能力增強(qiáng)，土水勢減小，試驗(yàn)前期外界水入流出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

表4 土體入流通量計(jì)算公式

圖9 土體總?cè)肓髁考叭肓魍颗c細(xì)顆粒含量的變化曲線Fig.9 Variation curve of total inflow and inflow flux and fine particle content of soil

表5 土體總?cè)肓髁考叭肓魍颗c細(xì)顆粒含量擬合公式

圖10 土體總?cè)肓髁亢腿肓魍侩S時間變化曲線Fig.10 Variation curve of total inflow and soil inflow flux with time

對圖10(a)中各土樣在60、132、204 h時的總?cè)肓髁侩S時間變化曲線進(jìn)行擬合，并對擬合方程求其試驗(yàn)時間(t)的導(dǎo)數(shù)，得入流通量(q)與時間(t)的變化關(guān)系方程，如表6所示。

土體在與一次凍結(jié)完成相同時間(t=60 h)，二次凍結(jié)完成相同時間(t=132 h)，3次凍結(jié)完成相同時間(t=204 h)時的總?cè)肓髁考叭肓魍侩S初始含水率的變化曲線。

如圖11所示，土樣總?cè)肓髁考叭肓魍颗c初始含水率成反比關(guān)系。原因是隨著初始含水率的增加，土樣土水勢增大(負(fù)壓減小)，導(dǎo)致水分遷移沒有足夠的遷移動力，故而初始含水率較大的土樣總?cè)肓髁枯^小。

圖11 總?cè)肓髁考叭肓魍侩S時間變化曲線Fig.11 Total inflow and inflow flux curves with time

3 結(jié)論

以貢覺至芒康公路改擴(kuò)建工程為依托，為了獲得路基土在非凍結(jié)條件下的入流通量與細(xì)顆粒含量、初始含水率等影響因素的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了路基土在非凍結(jié)條件下的水分遷移試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

表6 土體總?cè)肓髁考叭肓魍颗c試驗(yàn)時間的擬合公式

(1)細(xì)顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土樣毛細(xì)水上升高度依次為24、32、36、40 cm；結(jié)合毛細(xì)水上升高度及最大凍深，建議高山草甸區(qū)路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

(2)毛細(xì)水上升高度隨著細(xì)顆粒含量的增加而線性增加，土體孔隙半徑越大毛細(xì)水上升高度也越大，則土體水分遷移能力與細(xì)顆粒含量成正比關(guān)系。

(3)在一定細(xì)顆粒含量范圍內(nèi)，土體總?cè)肓髁考叭肓魍颗c細(xì)顆粒含量正相關(guān)；土樣總?cè)肓髁考叭肓魍侩S初始含水率的增加而減小，土樣總?cè)肓髁侩S時間變化曲線隨著細(xì)顆粒含量的增加，土樣出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

(4)在土類等條件一定的情況下，隨著初始含水率增大，土體總?cè)肓髁考叭肓魍繙p小，總?cè)肓髁侩S時間變化曲線由拱形變化為“S”形，入流通量隨時間變化曲線從遞降形變化為峰值形。