不同干密度對蘭州地區(qū)黃土毛細吸水影響的試驗研究

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(蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省蘭州市廣泛分布有Q3黃土，深度較大，近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進以及蘭州城市建設的迅速發(fā)展，蘭州地區(qū)的工程建設逐步向南北兩山的皋蘭山、徐家山、五一山、白塔山、九洲臺等土地開發(fā)區(qū)擴展，同時也向榆中、皋蘭地區(qū)的市區(qū)外圍衛(wèi)星城發(fā)展[1]。因此，這就意味著許多交通工程將穿越黃土覆蓋區(qū)，黃土成為這些地區(qū)的主要路基材料。修筑在地表的路基受地下水的作用是一個長期反復的過程。進入基礎內(nèi)部的水分會嚴重危害公路的使用性能，滯留在基礎內(nèi)部的水分是導致公路破壞的主要因素之一[2-3]。特別地，在黃土地區(qū)，水分入侵是導致黃土路基不均勻沉陷的主要原因[4]。地下水對路基的影響，其本質(zhì)是非平衡基質(zhì)勢與毛細效應引起水分遷移后土體強度發(fā)生了弱化[5]。地下水上升縮短了毛細作用路徑，加快了毛細水對基礎土水的補給，水分的增加，將誘使黃土路基產(chǎn)生病害[6]。因此，本文以蘭州地區(qū)青白石鄉(xiāng)的黃土為試樣，探究其不同干密度狀態(tài)下地下水分毛細上升的規(guī)律，其是有效分析和治理路基病害的根據(jù)，該地區(qū)尚未見相關研究報告。

1 試驗材料與方法

本次試驗用到的黃土取自甘肅省蘭州市青白石鄉(xiāng)，關于黃土的基本物理性質(zhì)指標，如表1所示。

圖1 黃土毛細吸水試驗

試驗采用的黃土試樣為重塑土，將取得的黃土過2mm篩，在105℃的烘箱中烘干24h，通過計算稱取合適的質(zhì)量，制得10%含水率下不同干密度(1.5、1.6、1.7)的φ38×80 mm的圓柱試樣，每組3個試樣。在試樣上標注刻度，刻度間距0.5 cm，并用保鮮膜包好，進行編號。

進行毛細吸水試驗前，在試樣表層涂抹一層凡士林用作隔水層，吸水端面不涂。隨后將試樣輕置于透水石上，開始計時，每間隔一定時間讀取水位上升高度，如圖1所示。待水分到達頂端后，切除試樣兩端各0.5cm，隨后按照圖1所示切割試樣，將試樣分為7份，測量其含水率。

表1 黃土的基本物理性質(zhì)指標

2 試驗結果分析

通過對3組不同干密度的黃土試樣進行毛細吸水試驗，得到了關于毛細水上升高度H與時間t的關系，試樣高度h與含水率的關系。

2.1 毛細水上升高度與時間的關系

試驗中發(fā)現(xiàn)，在前段時間，水位上升很快，隨著時間增加，水位上升速度變慢，最終在60 min后到達頂端。具體曲線如圖2所示。圖中曲線的斜率表示毛細水從試樣底部向頂端運移的速率。從圖中可以看出，曲線在前5 min近似垂直，說明在5 min內(nèi)，吸水速度非?？?，在5～45 min內(nèi)，曲線斜率逐漸減小，曲線變平緩，毛細水上升速率變慢，最終在60 min時到達頂端。

為了研究不同干密度對毛細水上升的影響，取3種干密度下的上升高度的平均值進行對比，如圖2d所示。從圖中可以明顯看出，干密度越大，毛細水升高速率越慢，到達頂端所需的時間越長。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.87%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3種干密度對比

2.2 試樣高度與含水率的關系

在毛細吸水試驗結束后，將試樣均分為7份，分別測量其含水率ω，得到了在不同位置試樣的含水率分布情況，如圖3所示。底部含水量最大，試樣高度越大，含水量越低。從圖中可以看出，在0～4 cm內(nèi)，含水率變化很大，4～8 cm內(nèi)，含水率變化較小。說明毛細水在試樣的中下部作用比較強烈，隨著高度增加，毛細作用減弱。毛細作用由強變?nèi)醯闹饕纸缇€為試樣中部4 cm處。

圖3d反映了不同干密度下，含水率在試樣中的分布情況。由圖可知，干密度越大含水量越小，說明孔隙度決定了毛細作用的大小。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.97%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3種干密度對比

3 討論

為了定量分析干密度對毛細上升高度的影響，利用Matlab分別對不同干密度下的試驗結果進行擬合，得到的擬合結果列于表2。

表2 毛細上升高度與時間的擬合關系

由表2可以看出，通過擬合得到的曲線形式為y=alnbx+c。其中a近似于試樣的干密度，c可以認為是體積常數(shù)，在本次試驗中，試樣的尺寸為φ38×80 mm，相應的c值在0.52～0.63內(nèi)變化。參數(shù)b隨著干密度的增加逐漸減小。由此可以推測出本次試驗黃土的毛細吸水與干密度的經(jīng)驗關系式：

H=ρdlnbt+cv

(1)

其中，ρd為試樣的干密度；b為試驗常數(shù)；t為毛細作用時間(min)；cv為與尺寸有關的體積常數(shù)，

本次研究的試樣取值為0.52～0.63。

4 結語

通過對3組不同干密度的黃土進行毛細吸水試驗發(fā)現(xiàn)：

(1)隨著黃土試樣高度的增加，毛細作用逐漸減弱。相同含水率下，干密度越大，毛細水上升速率越慢，水分到達頂端所需的時間越長；

(2)試樣底部的含水率最高，在0～4 cm內(nèi)，含水率變化幅度較大，在4～8 cm內(nèi)，含水率變化幅度變小。干密度越大，含水率越??；

(3)毛細吸水主要作用在試樣的中下部，上部的毛細作用比較微弱。

[1]張森安，劉若琪.蘭州地區(qū)大厚度濕陷性黃土場地巖土工程問題[J].工程勘察.2006(增):344-347.

[2]翁興中，機場道面設計原理[M].北京:人民交通出版社.1992．

[3]周奇，岑國平，馮居忠，等.道路結構內(nèi)水分運動試驗系統(tǒng)[J].公路.2013(11):55-62.

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