黃土路基壓實過程中的水分遷移規律試驗研究

王海東

（山西忻阜高速公路建設管理處，山西 五臺 035514）

黃土路基受到水的影響較大，黃土的壓縮變形、濕陷變形規律，隨著水分、溫度、熱耦合效應發生變化[1]。筆者針對黃土路基壓實過程中水分遷移特性進行試驗分析，首先從水在土壤中的形態和能態分析入手，進一步分析了黃土的物理特性和水分特征，然后通過試驗研究了不同壓實度狀態下土試樣的水分運動參數，并測試了路基斷面的含水量分布狀態，得出壓實度對水分特征的影響規律。

1 土壤水分基本特征

1.1 土壤水體的形態

第一種是吸濕水，由于土壤顆粒比表面積較大，顆粒周圍的水汽分子很容易吸附在土顆粒表面，將水分束縛，受吸水系數的控制[2]。第二種叫薄膜水，是由于吸附水的厚度不斷增加，形成的一定厚度的水膜。第三種是毛管水，這種水存在于土壤中的細微孔隙中，在表面張力的作用下，彎液面下的液態水需要承受一定的毛管力，天然條件下，毛管力會使水分沿著土壤微小孔隙逐漸上升，也就是毛細作用。第四種稱為重力水，當土壤孔隙比較大時，毛細作用變弱，在重力作用下，土壤中的水會發生流動或者下滲。

1.2 土壤水體的能態

土壤水的能量特征主要表現為水勢，即土壤中任意兩點之間的水的勢能之差，水勢是土壤水運動的驅動力，水分從高水勢向低水勢方向流動。水勢選取某一特定溫度，在標準大氣壓下，以不含任何雜質的純自由水作為參考狀態。通常所說的某點的土水勢就是部位單位體積單元的土壤含有的水分具有的勢能大小。所以，通常情況下可以用質量、容積、重量來表示土水勢。對于黃土路基而言，在壓實過程中，其單位體積的水分含量不斷發生變化，因此其土水勢也在發展遷移變化，土水勢包括重力勢、壓力勢、基質勢、溶質勢以及溫度勢等，上述5種分勢能之和便是總的土水勢。

1.3 土壤水的熱力學與動力學特征

與自然界其他物質相比，土壤水特性比較特殊，無論處于什么狀態，土壤水都具有一定大小的內能，這種內能和熱力學第二定律有著緊密聯系。整個土壤水源系統發生變化時能夠對外界做功，一種是非體積功，產生各種機械能，另外一種是體積功，是由于土體的體積膨脹或者收縮產生的。土壤水的熱能只能從高溫狀態向低溫狀態釋放和過渡。土壤水的動力學特征主要表現為飽和、流和、非飽和、流中分別具有的重力梯度、壓力梯度和基質勢梯度提供的驅動力作用，在路基壓實過程中，由于外部荷載沖擊擠壓，對路基內水的遷移運動帶來更為復雜的影響作用。

2 水分特征曲線測定

2.1 黃土的特性

2.1.1 物理性質

試驗使用的黃土是來自忻阜高速公路K45+000-K46+070段現場土，物理指標主要包括天然含水量、孔隙率、容重、塑限、液限等。根據《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）[3]相關要求和試驗方法，結合本研究具體情況，采用烘箱、聯合液塑限儀、重型擊實試驗等方法對黃土的相關指標進行測定，試驗結果如表1所示。

表1 黃土的物理特征

2.1.2 顆粒分析

黃土的粒徑分布比較特殊，通常以粉土為主，其組成礦物大約有60種，其中輕礦物占了粗礦物的90%以上。黃土中含有不少有機質的持水性強，表面能大，形成土的膠結成分，這些部分遇到水之后，其受力特征會發生較大變化。從顆粒組成角度看，黃土大多數顆粒粒徑都小于0.25 mm。主要以粉土和小顆粒土為主，對黃土的顆粒分析結果如圖1所示。

圖1 各級顆粒分析圖

從圖1所示顆粒分析結果看，黃土中顆粒小于0.001 mm的占39.94，占了總量的2/5，顆粒粒徑小于 0.05 mm的土含量超過了95%，而粒徑超過0.25 mm的土體，其比例僅僅占了0.001%，幾乎趨于零。也就是說，黃土的顆粒粒徑整體相對較小，比表面積大，對水的吸附作用強。因此，土中水體遷移規律比較復雜。

2.2 試驗方法

土中水的能量大小一定程度上對土體的性能產生影響，通過試驗分析不同壓實度下水的能態特性有助于更好地研究水分遷移規律。采用離心機法測定土中水勢的大小，其基本原理是利用離心力場測定水勢大小。試驗時將試樣用孔徑為2 mm的篩子過篩并風干。然后根據試驗設計要求制備5個等級的壓實度土樣進行試驗。根據試樣的容重要求分層放入離心管，然后將土體的毛細管用水飽和，放入離心機進行脫水。試驗按照不同的巴進行脫水處理，當達到15巴后，將土體烘干，并計算土壤的含水量，進而分析土體的能量特征。土壤的水勢根據公式（1）進行計算。

式中：H為水勢；n為轉速；h為裝土量，g；r為離心機的半徑。（注：巴為壓力單位，英文名稱bar，1巴 =1.109 7工程大氣壓）

2.3 試驗結果與分析

采用離心機測定土中水分的特征曲線準確率比較高，但是由于離心機的轉速對土壤的容重有影響，一般情況下，離心機的轉速越高，土壤的重度越大。因此，為了使5種壓實度狀態下的土壤時間形成對比便于分析，對5種壓實度分別為80%、83%、86%、89%、92%的試樣在相同的轉速下進行試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 各壓實度下的水分特征曲線

根據試驗結果可知，對于非飽和土而言，隨著含水量的變化，基質吸力發生變化的幅度較小，在壓實度為80%時，相對含水量小的情況下，基質吸力較大，其工程性能向弱性方向變化，在含水量較高的情況下，基質吸力受含水量變化影響較小，從曲線變化規律可知，在不同壓實度條件下，各試樣的水分特征曲線規律相似，在基質吸力小于2巴的前半段，曲線較陡，說明對于試驗所用的黃土而言，當基質吸力較小時，含水量是影響基質吸力的主要因素。而在曲線后半段，曲線比較平緩，說明當基質吸力較大時，基質吸力受到含水量、干密度以及黏粒含量等因素的綜合影響。由此可見，對于天然含水量下的非飽和黃土而言，其工程性質受含水量變化影響較大。

3 水分運動參數試驗

3.1 濕潤鋒濕度與平均速率

在非飽和土中，導水參數主要包括導水率、水分擴散率等[4]。根據試驗要求，將風干的土樣篩分，然后烘干，去除吸濕水之后，精確稱量裝入有機玻璃管進行試驗。每次試驗設置10個重復土柱，4個重復試驗對不同壓實度的濕潤鋒濕度與前進速率之間的關系，試驗結果如圖3所示。

圖3 各壓實度下的濕潤鋒濕度與速率關系曲線

從圖3所示的試驗結果可知，在不同壓實度條件下，試樣的濕潤鋒濕度變化速率的規律比較相近，但是，壓實度高的情況下，土體試樣的變化速率相對較大。從曲線的變化情況看，濕潤鋒濕度相對較小的情況下，速率變化幅度比較緩，幾種不同壓實度狀態下的速率比較接近，說明當濕潤鋒濕度較小時，土體受到壓實度的影響較小，而當濕潤鋒濕度較大時，前進速率逐漸拉大，而且隨著濕潤鋒濕度的增大，其間的差距越來越大，通過濕潤鋒濕度和前進速率的關系得出導水率和擴散率之間的關系。

3.2 導水率與壓實度關系

土壤導水率也叫做土壤的滲透能力，導水率和土壤種類、孔隙分布、結構特征、鹽分含量、溫度和含水量有關。由于路基壓實過程中，上部荷載沖擊作用會改變土壤的結構、孔隙，而且還會引起土壤中的水分遷移。采用滲透筒試驗對土體在不同壓實度狀態下的導水率試驗結果如圖4所示。

圖4 不同壓實度導水率試驗結果

從圖4所示的試驗結果可知，當試樣土體的壓實度較小時，土體的滲透系數較大，隨著壓實度的增大，導水率逐漸增加，當壓實度達到89%時，其滲透導水率出現輕微下降，此外，隨著容積水含量的增加，試樣土的導水率逐漸增大，壓實度為80%，容積水含量小于0.20時，增幅較小，容積水含量較大時，其導水率增幅較大。然而，隨著壓實度的增加，其導水率下降幅度十分明顯。

3.3 擴散率與壓實度關系

采用馬氏瓶試驗測定不同壓實度下的擴散率，試驗進行5 min后，記錄土柱中濕潤鋒的前進距離，當濕潤鋒濕度達到土柱長度的3/4時，取土測定含水量計算土壤水分擴散率，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同壓實度擴散率試驗結果

土的擴散率受到土的種類、水分含量、干容重以及溫度的影響，隨著壓實度增加，結構密實，孔隙變小，導水性能和透水性能降低，其干容重逐漸增大，土顆粒之間接觸緊密使得薄膜水之間的連通性增強，擴散率降低，水分運動則更為復雜。當干容重較小時，土體孔隙較大，結構松散，土顆粒之間的薄膜水連通性相對較弱，水分遷移困難，當薄膜水存在的情況下，隨著干重度的增加，水分擴散系數逐漸增大。因此，路基填土壓實度越大，其強度越高，受到水分的影響就越小。

4 水分分布律分析

4.1 測點布置

為分析路基不同部位和深度的含水量分布規律，通過鉆芯取樣對坡腳、邊坡、路肩、行車道及中央分隔帶的含水量變化進行測試，測點布置見圖6。

圖6 路基含水量分布規律測點布置示意圖

4.2 黃土路基水分分布規律

對忻阜高速公路K45+000-K46+070段填土路基各部位含水量測試結果如圖7所示。

圖7 路基橫斷面各深度含水量變化曲線

從圖7所示結果可知，路基土的含水量大于施工期間的最佳含水量，這就說明外界水分的影響比較大，在降雨的影響下，路肩和路面的水分向邊坡排放，邊坡和坡腳的含水量增加，在水分滲透和擴散作用下，路基內部的含水量也發生變化。

5 結語

針對黃土路基填土的性能，分析了土中水的形態和能態，并通過試驗分析黃土路基在壓實過程中的水分能量、水分遷移等特征。結果表明：隨著壓實度的增大，基質吸力逐漸降低。天然含水量下的非飽和黃土的工程性質受含水量變化的影響較大。土的導水率和擴散率隨干容重變化對水分擴散率的影響較為明顯，壓實度增加，土體結構密實，孔隙變小，土的導水性能和透水性能降低，路基填土壓實度越大，強度越高，受水分影響越小。外界水分的影響比較大，由此可知，路基土壓實過程中，土的導水率和擴散率逐漸降低，因此，壓實度越大，路基受到水分的影響越低，其強度和穩定性越好。