氣態(tài)水遷移作用對季凍區(qū)高鐵路基粗填料含水率的影響

董連成, 杜兆康

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

氣態(tài)水遷移會對高鐵路基粗填料的含水率產(chǎn)生重要影響[1],而含水率是造成季凍區(qū)高鐵路基粗填料產(chǎn)生較大凍脹的關(guān)鍵因素[2]。

我國在氣態(tài)水遷移方面已經(jīng)做了大量研究。馮卓鑫[3]通過進(jìn)行氣態(tài)水遷移的室內(nèi)試驗(yàn),分析了細(xì)顆粒含量與土柱上部加荷影響下氣態(tài)水遷移強(qiáng)度問題。陳含[4]通過自研設(shè)備進(jìn)行凍融循環(huán)的氣態(tài)水遷移試驗(yàn),分析了粉質(zhì)黏土的鍋蓋效應(yīng)。Liu等[5]通過自行研制的設(shè)備,分析了等溫狀態(tài)下不同溫度梯度、不同初始含水率梯度情況下的氣態(tài)水遷移強(qiáng)度,最終得到了水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)隨初始含水率梯度和溫度的升高而增大的結(jié)論。羅汀等[6]分析了粉質(zhì)黏土不同初始含水率及溫度梯度下的氣態(tài)水遷移。張建勛等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了等溫狀態(tài)下砂土的氣態(tài)水遷移強(qiáng)度。鄒連慧[8]通過自制設(shè)備研究了等溫狀態(tài)下粉質(zhì)黏土與油頁巖廢渣改良土的氣態(tài)水遷移問題,得到含水率、壓實(shí)度、溫度因素對氣態(tài)水遷移量的影響程度。季凍區(qū)高鐵路基粗填料方面的氣態(tài)水研究相對較少。張玉芝等[9]通過自行研制的氣態(tài)水遷移裝置,分析了不同細(xì)顆粒含量以及不同補(bǔ)水邊界條件下粗顆粒的氣態(tài)水遷移問題。畢駿[10]通過單向凍結(jié)試驗(yàn)分析了凍結(jié)條件下粗粒土的氣態(tài)水遷移情況。賀佐躍等[11]通過現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算對粗粒土的氣態(tài)水遷移進(jìn)行了分析,結(jié)果表明考慮氣態(tài)水時(shí)產(chǎn)生的凍脹和凍深與凍脹和凍深的實(shí)測值吻合程度高。

綜上可知,現(xiàn)階段細(xì)粒土的氣態(tài)水遷移研究已較為深入,但對于粗粒土氣態(tài)水遷移類型對其含水率影響還需進(jìn)一步分析研究。筆者以哈爾濱地區(qū)某新建高速鐵路為依托,基于含水率、溫度梯度、補(bǔ)水條件、隔水措施等不同條件下進(jìn)行兩類氣態(tài)水遷移作用下粗填料的含水率變化研究,旨在為季凍區(qū)高速鐵路路基的凍脹研究提供指導(dǎo)思路。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器基于粗顆粒填料的特點(diǎn),參照現(xiàn)階段氣態(tài)水遷移試驗(yàn)的基本思路自行研制而成,如圖1所示。

圖1 氣態(tài)水遷移試驗(yàn)儀器Fig. 1 Vaporous water migration test equipment

由圖1可知,此氣態(tài)水遷移試驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫箱、馬氏瓶、溫控裝置、試樣筒、保溫層、溫度傳感器、補(bǔ)水裝置組成。恒溫箱保證試驗(yàn)過程中溫度的恒定;馬氏瓶提供補(bǔ)水作用;溫控裝置用以調(diào)節(jié)試樣上下不同溫度,提供不同溫度梯度;補(bǔ)水裝置為試樣提供水分補(bǔ)給;溫度傳感器用以監(jiān)測試樣的溫度。

1.2 試驗(yàn)方案

為使填料反映實(shí)際工程的氣態(tài)水遷移特征,基于實(shí)際工程斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)配置填料的各組分比例,其填料最終的級配曲線如圖2所示。記小于某粒徑的土粒含量為K。

圖2 填料顆粒級配曲線Fig. 2 Filler particle gradation curve

由圖2可知,填料不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為Cu=22.98和Cc=2.61,因此填料的級配良好。后續(xù)氣態(tài)水的遷移試驗(yàn)將依托此填料進(jìn)行,模擬實(shí)際工程中填料因氣態(tài)水遷移導(dǎo)致的水分變化情況。

含水率與溫度是分析氣態(tài)水遷移的重要因素[6]。試樣的含水率選取0和4%兩種含水率,用以分析粗填料在不同初始含水率狀態(tài)下對氣態(tài)水遷移的影響;根據(jù)哈爾濱地區(qū)所研究實(shí)際工程斷面處11月25日的路基地溫?cái)?shù)據(jù),設(shè)定試樣底端溫度θ1為14與25 ℃,試樣頂端溫度θ2為-15、-10、1、10 ℃四種溫度,用以分析不同溫度梯度下粗填料的氣態(tài)水遷移規(guī)律。實(shí)際工程中路基氣態(tài)水遷移也受到地下水的影響,并且隔水層等工程措施的應(yīng)用也會使氣態(tài)水遷移受到影響。綜上,文中設(shè)立了氣態(tài)水的遷移方案,如表1所示,分析不同含水率kw、不同溫度梯度、不同補(bǔ)水條件及不同隔水層數(shù)n下氣態(tài)水遷移造成的水分變化程度。

表1 氣態(tài)水遷移試驗(yàn)方案Table 1 Vaporous water migration test protocol

將填料各組分在烘干箱中烘干水分,根據(jù)各組分的比例配置不同含水率的試樣拌合均勻。試樣覆蓋保鮮膜防止水分散失,置于恒溫箱中養(yǎng)護(hù)24 h,使得試樣中的水分分布均勻。養(yǎng)護(hù)完成后的試樣按90%壓實(shí)度分5層壓入試樣筒中,試樣最終高度為20 cm,直徑為10 cm,試樣內(nèi)每隔2 cm設(shè)置溫度傳感器。將制備完成的試樣放入恒溫箱中設(shè)定與試驗(yàn)方案中低端溫度相同的溫度進(jìn)行24 h養(yǎng)護(hù),以使試樣內(nèi)部的溫度達(dá)到均勻一致。

進(jìn)行氣態(tài)水遷移時(shí)調(diào)節(jié)馬氏瓶位置,使補(bǔ)水裝置中液面略低于試樣底端,保證水分補(bǔ)給方式為氣態(tài)水遷移。試樣頂端設(shè)置隔水膜,防止水分的散失。

試驗(yàn)周期為7 d,試驗(yàn)完成后對試樣進(jìn)行每隔1 cm切片采用烘干法測量其含水率。

2 結(jié)果分析

2.1 第一類氣態(tài)水遷移分析

第一類氣態(tài)水遷移含水率分布曲線,如圖3所示。由圖3a可知,1號試樣的初始含水率為0,最終試樣含水率的增加全為氣態(tài)水遷移所致,因此,第一類氣態(tài)水遷移模式會造成試樣的含水率上升。2號試樣頂端隔水膜處含水率相較1號試樣提高了2.6%。這是由于當(dāng)試樣內(nèi)部存在初始含水率且發(fā)生氣態(tài)水遷移時(shí)會存在氣態(tài)水與液態(tài)水遷移的共同作用,從而導(dǎo)致含水率遷移量的提高。因此,當(dāng)增加試樣的初始含水率后,其試樣的最終含水率也會隨之增加。

圖3 第一類氣態(tài)水遷移含水率分布曲線Fig. 3 First type of vapor water migration moisture content distribution curve

由圖3b可知,2號與3號試樣峰值含水率皆為6%左右,但2號試樣大于初始含水率的區(qū)域要高于3號試樣。這是由于溫度梯度的增加會促進(jìn)氣態(tài)水的遷移,由于第一類氣態(tài)水遷移模式下會造成試樣頂端相對濕度的升高,從而抑制氣態(tài)水在頂端的積聚,導(dǎo)致含水率的提升開始向下發(fā)展,最終使得兩試樣鋒面處的含水率值接近,而含水率增加的區(qū)域出現(xiàn)差異。

由圖3可知,第一類氣態(tài)水遷移情況下只有一個(gè)含水率峰值,位于試樣頂端隔水膜處。這是由于第一類氣態(tài)水遷移中最低溫度未達(dá)到試樣凍結(jié)溫度,試樣內(nèi)部無法產(chǎn)生凍結(jié)鋒面,土中水分在溫度勢與基質(zhì)勢的作用下于試樣頂端隔水膜處積聚,造成含水率峰值產(chǎn)生。

2.2 第二類氣態(tài)水遷移分析

第二類氣態(tài)水遷移含水率分布曲線,如圖4所示。由圖4a可知,當(dāng)試樣初始含水率為0時(shí),試驗(yàn)完成后試樣內(nèi)水分全來自于氣態(tài)水遷移,氣態(tài)水遷移可大幅提高試樣的含水率。試樣最終含水率出現(xiàn)一個(gè)峰值,為8.2%,位于試樣頂端隔水膜處。提高試樣的初始含水率將促進(jìn)試樣含水率的增加。5號試樣頂端隔水膜處含水率相較于4號試樣提高了23.9%,且最終含水率出現(xiàn)兩個(gè)峰值,一個(gè)位于試樣頂端隔水膜處,另一個(gè)位于試樣凍結(jié)鋒面處。這是由于試樣本身存在初始含水率,在第二類氣態(tài)水遷移試驗(yàn)過程中,試樣內(nèi)存在液態(tài)水遷移與氣態(tài)水遷移兩種遷移方式,造成了含水率大幅上漲。由于液態(tài)水的存在,試樣內(nèi)產(chǎn)生原位凍脹,液態(tài)水于凍結(jié)鋒面處積聚凝固,造成此處含水率的上升,4號試樣初始含水率為0,無法產(chǎn)生原位凍脹,因此無凍結(jié)鋒面。

圖4 第二類氣態(tài)水遷移含水率分布曲線Fig. 4 Second type of vapor water migration moisture content distribution curve

由圖4b可知,6號試樣頂端隔水膜處含水率峰值相較于5號試樣提高了10.1%,凍結(jié)鋒面處的含水率提高了4.6%。這是由于溫度梯度的增加將有利于氣態(tài)水的遷移,當(dāng)氣態(tài)水遷移至隔水膜處,冷端溫度的進(jìn)一步降低會促進(jìn)氣態(tài)水凝華,從而降低試樣的相對濕度,使得氣態(tài)水遷移強(qiáng)度保持較高水平。因此,提高試樣內(nèi)的溫度梯度將會促進(jìn)第二類氣態(tài)水的遷移。

為模擬實(shí)際工程路基填料中凍結(jié)鋒面上部的隔水層影響,于試樣4 cm處加設(shè)一層隔水膜,最終含水率變化曲線如圖4c所示。加設(shè)隔水層后試樣最終含水率出現(xiàn)三個(gè)峰值:第一個(gè)位于試樣頂端隔水膜處;第二個(gè)位于第二層隔水膜下部;第三個(gè)位于凍結(jié)鋒面處。這是由于氣態(tài)水遷移至第二層隔水膜下部產(chǎn)生積聚凝華,無法穿越隔水層進(jìn)入上部土體,兩層隔水膜之間的試樣部分為不補(bǔ)水條件下的氣態(tài)水遷移模式,從而產(chǎn)生三個(gè)含水率峰值。

為模擬實(shí)際工程中地下水位較深情況下的氣態(tài)水遷移,通過關(guān)閉馬氏瓶補(bǔ)水系統(tǒng),進(jìn)行不補(bǔ)水邊界條件下的氣態(tài)水遷移試驗(yàn),最終含水率變化曲線如圖4d所示。同5號試樣相比,8號試樣隔水膜處含水率下降0.9%,凍結(jié)鋒面處含水率下降了2.3%,且試樣下部區(qū)域出現(xiàn)低于初始含水率的現(xiàn)象。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因?yàn)?8號試樣采用不補(bǔ)水條件下的氣態(tài)水遷移,試樣上部水分的增加量全部來自于試樣下部水分的減少量,水分得不到補(bǔ)充,導(dǎo)致出現(xiàn)低于初始含水率的區(qū)域,且使得試樣整體含水率增加量低于5號試樣。

由圖3與圖4可知,第一類氣態(tài)水遷移造成含水率峰值位于試樣頂端,其值為3.6%～6.1%。第二類氣態(tài)水遷移產(chǎn)生多個(gè)含水率峰值,其中試樣頂端峰值含水率為8.2%～42.7%。綜上可知,第二類氣態(tài)水遷移造成的水分積聚遠(yuǎn)超第一類。

3 結(jié) 論

(1)兩類氣態(tài)水遷移模式下都將造成路基填料含水率的上升,試樣的初始含水率與溫度梯度增加都會促進(jìn)遷移量的增加。

(2)兩類氣態(tài)水遷移模式下都會造成含水率峰值的產(chǎn)生。第一類氣態(tài)水遷移模式下只產(chǎn)生一個(gè)含水率峰值。第二類氣態(tài)水遷移模式一般將產(chǎn)生兩個(gè)含水率峰值,且試樣內(nèi)部隔水膜的存在將會影響水分的分布規(guī)律,導(dǎo)致最終含水率峰值的個(gè)數(shù)發(fā)生變化。

(3)第一類氣態(tài)水遷移模式下產(chǎn)生的含水率峰值處只發(fā)生于頂端處,且含水率增加量偏小,其值約為3.6～6.1%。第二類氣態(tài)水遷移模式下含水率峰值發(fā)生于頂端以及凍結(jié)鋒面處,且含水率增加量大,頂端含水率約為8.2%～42.7%,遠(yuǎn)超第一類氣態(tài)水遷移。在工程實(shí)踐中,應(yīng)重點(diǎn)考慮第二類氣態(tài)水遷移對工程產(chǎn)生的凍脹影響。

(4)通過阻斷補(bǔ)水條件以及設(shè)置隔水層都將使得試樣含水率的降低,因此,在實(shí)際工程中需考慮降低地下水位以及在路基修筑過程中采用隔水層等措施,以達(dá)到控制路基含水率的目的。