葉萬軍，劉 寬，董西好，李 倩，王 巖

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 工程經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)研究院，天津 300124)

0 引 言

黃土地區(qū)溝谷縱橫，高填方工程改變地下原有給排水體系，土體長(zhǎng)期處于干濕循環(huán)狀態(tài)引發(fā)系列工程病害，影響上層建筑的安全使用。

20世紀(jì)初至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于研究黃土水分遷移問題，取得了豐碩的成果[1-2]。Harlan.R.L.等早先認(rèn)為土體內(nèi)水分遷移過程是基于熱量交換，驅(qū)動(dòng)力是土水勢(shì)梯度[3]；PHAM H等對(duì)干濕循環(huán)下土-水特征曲線的滯回特性進(jìn)行系統(tǒng)性理論研究[4-5]；DEB SANJIT K等研究了非飽和沙土中液態(tài)水和水蒸氣耦合條件下的熱傳遞規(guī)律[6]；HEITMAN J L等試驗(yàn)研究土體在水-熱耦合傳遞環(huán)境下瞬態(tài)溫度變化特征[7]；Li X等改進(jìn)試驗(yàn)裝置，開展土體潤(rùn)濕前水分遷移試驗(yàn)，獲取非飽和土水力傳導(dǎo)率[8]；葉萬軍等在溫度梯度條件下對(duì)重塑黃土進(jìn)行了水分遷移試驗(yàn)，分析不同因素下黃土內(nèi)水分變化的機(jī)理[9-10]；趙明華等根據(jù)非飽和土毛細(xì)作用模型、多孔介質(zhì)理論及水土特征曲線計(jì)算了毛細(xì)作用導(dǎo)致的路基土含水率的變化[11]；肖澤岸等對(duì)土體在凍結(jié)過程中內(nèi)部鹽分場(chǎng)對(duì)水分重分布的影響[12]；宋存牛等基于Harlan模型及Darcy定律建立了凍結(jié)環(huán)境下的風(fēng)積沙土路基水熱耦合遷移模型[13]；黃大中等采用不同固結(jié)理論分析了大面積軟土層地下水位下降時(shí)引起的二次固結(jié)問題[14]；王鐵行等系統(tǒng)研究了不同含水率對(duì)黃土體中氣、液態(tài)水遷移速度及遷移量的影響[15-17]；楊柳悅等試驗(yàn)研究了黃土水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性參數(shù)的影響及潛蝕機(jī)理[18]；張輝在凍融環(huán)境下通過黃土體直剪試驗(yàn)得到了凍融循環(huán)次數(shù)與土體黏結(jié)力之間的指數(shù)減弱規(guī)律[19]；高江平等基于土體水分再分配原理，采用離心法分析了不同初始條件下路基土的水分特征曲線[20]；李寧等對(duì)凍土中溫度、水分、變形三場(chǎng)耦合問題的微分控制方程進(jìn)行細(xì)致研究，并開發(fā)了適用性較好的多場(chǎng)耦合數(shù)值分析軟件[21]；毛雪松等采用濾紙法分析低液限粉土土體水分特征曲線，基于Van Genuchten模型對(duì)其進(jìn)行擬合研究[22]；陶夏新等分析水分遷移試驗(yàn)后裂縫擴(kuò)展、水分積聚等宏微觀現(xiàn)象，揭示凍融對(duì)土體溫度場(chǎng)及水分場(chǎng)的潛在影響規(guī)律[23]。在此階段，該領(lǐng)域研究成果集中在多種不同初始條件對(duì)黃土水分遷移的影響，考慮特殊外界環(huán)境對(duì)重塑黃土水分遷移影響的研究較為缺乏，且對(duì)于干濕循環(huán)這一特定限定環(huán)境下重塑黃土的水分遷移規(guī)律的研究頗少，也暫缺完整性的考慮干濕循環(huán)、初始干密度、初始含水率這3種因素對(duì)土體水分遷移影響的內(nèi)在規(guī)律。

鑒于此，取樣于延安某典型黃土填方區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，開展不同因素下干濕循環(huán)水分遷移試驗(yàn)，分析試驗(yàn)前后土體含水率的變化，測(cè)定了干濕循環(huán)、干密度和含水率等因素對(duì)黃土水分遷移的影響。為黃土地區(qū)高填方工程的選址、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中防災(zāi)減災(zāi)工作提供較為科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土壤取自延安某典型高填方區(qū)，黃褐色、略濕、相對(duì)均勻，含少量砂礫、蝸牛殼等雜質(zhì)。測(cè)試了土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見表1.

表1 黃土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Index of physical properties of loess samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用課題組開發(fā)的YXDT型土壤水分變化試驗(yàn)儀，儀器設(shè)備如圖1所示，(a)為濕度變化測(cè)試儀連接圖，(b)，(c)分別為土壤濕度傳感器及土壤水分收集系統(tǒng)。

圖1 土體濕度變化測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Soil moisture change test system

1.3 試驗(yàn)方案

制備5組土樣，對(duì)土樣S2，S3進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)土樣S1，S4，S5進(jìn)行增濕試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表2.

1.3.1 增濕過程

1)用2 mm篩孔對(duì)土樣篩分，配制目標(biāo)含水率梯度的土樣，靜置5 d保證內(nèi)部水分均勻；

表2 土樣及試驗(yàn)條件Table 2 Sample and test conditions

2)計(jì)算每層所需土的質(zhì)量，均勻裝入樣筒內(nèi)，每層擊實(shí)土層后在其頂部劃一個(gè)小土槽。植入水分傳感器，再將整個(gè)土層表面刮毛便于銜接，重復(fù)該步驟，共12層；

3)連接水源筒、恒定水位采集裝置及恒定水位管、恒定進(jìn)水口，檢查無誤后進(jìn)行試驗(yàn)，每20 min采集一次數(shù)據(jù)。

1.3.2 減濕過程

1)減濕過程在室外進(jìn)行，增濕完成后，將樣筒放置于室外暴曬，傍晚再將樣筒放回室內(nèi)；

2)室外溫度較高，每2 h測(cè)量并記錄一次含水率值，以實(shí)測(cè)含水率達(dá)到或接近土體初始含水率值視為減濕過程結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 減濕試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2反映土樣S2，S3兩次減濕的整個(gè)過程，直觀看出：兩次減濕過程中，兩組土樣體積含水率表現(xiàn)為遞減狀態(tài)，隨距底板高度分布規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為隨著距底板高度的增大而逐漸減小，但減小范圍不大，這與水分遷移后土體終態(tài)體積含水率分布規(guī)律大致相同。由此可見，干濕循環(huán)過程中，土樣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，含水率在隨距底板高度增加呈現(xiàn)出小范圍的減小；在土樣除濕過程中，含水率分布曲線隨時(shí)間向左移動(dòng)。相鄰曲線間距出現(xiàn)差異是與測(cè)定含水率前一天的天氣有關(guān)，氣溫高則減濕速度快，曲線表現(xiàn)為向左平移增大；土樣S2兩次減濕用時(shí)分別21，18 d；土樣S3分別用時(shí)16，13 d，減濕過程時(shí)間明顯少于土樣S2.原因主要是兩組土樣初始含水率不同，土樣S3體積含水率只需要降低到27.73%，S2則需減到20.73%；從數(shù)據(jù)來看2個(gè)土樣初次減濕均比二次減濕持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，表現(xiàn)在曲線疏密程度上，即是初次減濕過程含水率分布曲線比二次減濕過程更為密集，對(duì)比圖2中(a)、(b)曲線發(fā)現(xiàn)，(a)相鄰曲線之間的最大距離大約在第1、2天和第14，15 d之間，并且曲線間距明顯小于(b)中第3天、第4天和第10天、第11天的，對(duì)比圖2(c)和(d)也可看出第二次減濕過程最大相鄰曲線間距較大。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明二次減濕過程中土樣持水性較差，減濕過程更易進(jìn)行，也證實(shí)了土樣的持水能力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減弱。

圖2 土樣除濕過程中含水率的分布Fig.2 Distribution of moisture content in soil dehumidification process

減濕結(jié)束，樣筒內(nèi)壁附著小水珠，暴曬使得水分脫離了土體后被樣筒尺寸限制未能從頂部全部蒸發(fā)。觀察樣筒上表面，減濕后，土體顏色較淺于減濕之前，偏干，局部有微小裂紋。減濕過程中，上部土體中的水分不斷蒸發(fā)為氣態(tài)，下部水分向上遷移，遷移速度有限，無法及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致樣筒土體水分徑向分區(qū)分布，上部土體含水率較小。靜置后，土體水分不斷向上遷移，上部含水率不斷升高，上部土體顏色逐漸恢復(fù)到之前的黃褐色。

圖3 土樣體積含水率隨高度變化關(guān)系Fig.3 Relationship between volumetric water content and height of soil samples

如圖3所示，土樣除濕24 h后，土體含水率隨樣筒高度變化很大，由于除濕后期的含水率低，頂部土體干燥和破裂。在樣筒底部至40 cm高度范圍內(nèi)，含水率隨高度有小范圍的減小現(xiàn)象，幅度為45%～40%之間；但在40～60 cm范圍內(nèi)，含水率急劇減小，即反映出暴曬過程中上部土體中的水分快速蒸發(fā)到空氣中，下部土壤中的水僅產(chǎn)生少量向上遷移。靜置后，土體中水分隨高度變化不大，含水率相對(duì)均勻。究其原因，靜置之后，土體下部水分在基質(zhì)吸力的作用下快速向上遷移，補(bǔ)充上部土體缺失的水分。經(jīng)過一天暴曬及靜置，樣筒中任意高度處土體的含水率均減小。但因樣筒尺寸有限，土體中水的蒸發(fā)量不高，整個(gè)減濕過程受天氣情況、目標(biāo)含水率及土樣初始干密度等因素的綜合影響，要經(jīng)歷約18 d的暴曬循環(huán)才能完成。

2.2 干濕循環(huán)對(duì)土體水分遷移的影響

圖4(a)反映了S2土樣3次加濕期間濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系，在3次增濕過程中濕潤(rùn)峰隨時(shí)間的推進(jìn)規(guī)律基本相同，整體分為2個(gè)階段：初始為快速遷移階段，該階段濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離隨時(shí)間呈線性增大。初次增濕過程中，濕潤(rùn)峰用時(shí)4 h推進(jìn)22.6 cm，濕潤(rùn)峰上升15 cm，水分遷移速度約為5.65 cm/h；第2次增濕過程本階段用時(shí)6 h，上升17.6 cm，水分遷移速度約為3.52 cm/h；第3次增濕過程此階段濕潤(rùn)峰用時(shí)5 h，上升12.5 cm，水分遷移速度約為2.50 cm/h.在此階段濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離表現(xiàn)為：第1次加濕過程>第2次加濕過程>第3次加濕過程；對(duì)應(yīng)的水分遷移速度：第1次加濕過程>第2次加濕過程>第3次加濕過程。其次進(jìn)入緩慢遷移階段：此階段，濕潤(rùn)峰隨時(shí)間的變化曲線呈外凸?fàn)顟B(tài)，即水分遷移速度隨時(shí)間逐漸減慢。究其原因：濕潤(rùn)峰上移越高，水分的重力勢(shì)就越大，當(dāng)基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)之差不斷減小直至相同時(shí)，遷移速度也不斷減慢直至停止。

圖4 增濕過程濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between wetting peak propulsion distance and time in three humidification processes

圖4(b)為土樣S3 3次干濕循環(huán)過程中濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間的規(guī)律，曲線可分為快速變化和緩慢變化2個(gè)階段。明顯看出，相同時(shí)間內(nèi)，水分遷移速度和濕潤(rùn)峰爬升高度均表現(xiàn)為：初次加濕>2次加濕>3次加濕。與土樣S2規(guī)律大致相同，整體來看，土樣S2、土樣S3 3次增濕過程中濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系曲線呈上疏下密狀態(tài)。

縱觀3次增濕過程，相同時(shí)間內(nèi)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離減小，即水分遷移速度減慢。分析原因：干濕循環(huán)直接影響了土體的水分分布，也間接改變了土顆粒間的粘結(jié)力及孔隙的大小、排列方式及貫通性。

2.3 初始干密度對(duì)土體水分遷移的影響

圖5顯示3組土樣在不同時(shí)間含水率與距底板高度的關(guān)系。整體對(duì)比S4，S2，S5 3組土樣在不同時(shí)刻含水率隨距底板高度的變化關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)：3組土樣的水分遷移規(guī)律基本一致，即在試驗(yàn)過程中，隨著時(shí)間的推移，3組土樣的濕潤(rùn)峰面逐漸由樣筒底部向頂部遷移，土體含水率也從底部逐漸增加。曲線出現(xiàn)橫向折線表明此時(shí)土體處于含水率變化較快的位置，折線以下土體水分遷移已經(jīng)基本完成，折線上部土體尚未受到水分遷移的影響，同時(shí)也可以看出折線呈現(xiàn)出下疏上密的現(xiàn)象，說明開始時(shí)水分遷移較快，后期隨距底板高度增大，水分遷移速度逐漸變慢。對(duì)比圖5中各關(guān)系圖線不難發(fā)現(xiàn)，前5 h土樣S5濕潤(rùn)峰推進(jìn)高度在20 cm左右，土樣S2約為25 cm，而土樣S4達(dá)到了30 cm；在水分遷移30 h時(shí)，土樣S5濕潤(rùn)峰恰好超過55 cm，土樣S2基本達(dá)到最頂部，土樣S4在第25 h時(shí)達(dá)到頂部。可見土樣S4水分遷移速度最快，土樣S2次之，土樣S5最小。針對(duì)初始干密度對(duì)水分遷移速度的影響規(guī)律研究結(jié)論并不統(tǒng)一，有研究中指出一般粗粒土隨壓實(shí)度增加，毛細(xì)水增加率變大，而粉質(zhì)粘土規(guī)律相反[24]?？梢钥闯鏊窒蛏线w移的速度與土體的顆粒級(jí)配有直接關(guān)系，不同地區(qū)、不同類型的土表現(xiàn)出來的水分遷移規(guī)律有較大差異。

圖5 不同干密度土樣濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between wetting peak advancing distance and time in different dry density soil samples

圖6 不同測(cè)點(diǎn)終態(tài)體積含水率值Fig.6 Final measurement volumetric moisture content of different measuring points

圖6顯示3組土樣最終體積含水率分布，最終體積含水率隨距底板高度的增大而降低，但是減小幅度并不大，約為40%～45%；究其原因：土體初始干密度越大，土顆粒越緊密，土顆粒之間的孔隙越密實(shí)，土顆粒間的靜電力在范德瓦爾斯力下更明顯，則只能收集更少的水分。圖7為不同干密度土樣分別在初次增濕過程中濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系。圖形表示為相同時(shí)刻初始干密度越小的土樣，濕潤(rùn)峰潤(rùn)濕距離更大，可以看出，土樣的初始干密度與水分遷移率呈負(fù)相關(guān)。重塑黃土壓實(shí)度與初始干密度二者密不可分，微觀層面來講，土體顆粒間的孔隙越小，土中基質(zhì)吸力一定程度上增大，但整體上受到土體間導(dǎo)水率、擴(kuò)散率、粘結(jié)作用等綜合影響更為顯著，水分遷移速度整體上表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

圖7 不同干密度土樣濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of different dry density soil samples

2.4 初始含水率對(duì)土體水分遷移的影響

圖8為S1，S2，S3土樣在初次增濕過程中不同時(shí)刻不同高度處土體體積含水率值。

圖8 不同含水率土樣濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系Fig.8 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of soil samples with different water contents

從圖8可以看出，試驗(yàn)過程中，水分不斷向上遷移，所得折線呈現(xiàn)下疏上密的狀態(tài)。土樣S3最快，約為25 h.其次為土樣S2，用時(shí)約為32 h，土樣S1最緩慢，在第35 h時(shí)3組土樣水分遷移達(dá)到最頂端。分析圖9可得，高度不同的測(cè)點(diǎn)終態(tài)體積含水率呈現(xiàn)出隨距底板高度增大而減小的規(guī)律，但整體上減小范圍不大，也就是說，當(dāng)土體水分穩(wěn)定時(shí)，含水率由表面到底部逐漸增加，但變化很小。從圖10可得，土體初始含水率越大，濕潤(rùn)峰推進(jìn)速度越快。原因是含水率的增加，會(huì)增強(qiáng)土顆粒間的潤(rùn)滑效果，使得土體內(nèi)的水分遷移更加平穩(wěn)。

圖9 不同測(cè)點(diǎn)的最終體積含水率值Fig.9 Different measured point height final volumetric moisture content values

圖10 不同含水率土樣濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between wetting peak advancing distance and time in soil samples with different moisture contents

3 結(jié) 論

1)干濕次數(shù)增加，土體持水能力弱化顯著，濕潤(rùn)峰爬升最大高度逐漸下降，且試驗(yàn)用時(shí)逐漸增加，水分向上遷移速度減慢。減濕過程中，土體內(nèi)部含水率值隨高度呈徑向分區(qū)分布，表現(xiàn)為上部含水率偏低，下部較高。靜置后，水分向上遷移，補(bǔ)充上部土體在減濕過程中損失的水分，且隨著高度增加上部含水率分布趨于均勻；

2)增濕期間，土樣水分遷移可分為2個(gè)階段：初始快速遷移階段和緩慢遷移階段。不同初始干密度的土樣遷移規(guī)律差異不大，但初始干密度對(duì)土體最終體積含水率影響顯著，土體初始干密度越小，濕潤(rùn)峰推進(jìn)距離越大，推進(jìn)速度也越快；

3)試驗(yàn)期間，土樣初始含水率越大，水分遷移速度越快，但隨著水分遷移逐漸穩(wěn)定，最終體積含水率也趨于穩(wěn)定，土樣終態(tài)體積含水率更高。此外，土體水分遷移會(huì)受到水分重分布及土體結(jié)構(gòu)重組等多方面的影響，初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)不同，主導(dǎo)因素也不同，土體水分遷移規(guī)律呈現(xiàn)出相應(yīng)的多樣化特征。