王海東

（山西忻阜高速公路建設(shè)管理處，山西 五臺(tái) 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(guī)律，隨著水分、溫度、熱耦合效應(yīng)發(fā)生變化[1]。筆者針對(duì)黃土路基壓實(shí)過(guò)程中水分遷移特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，首先從水在土壤中的形態(tài)和能態(tài)分析入手，進(jìn)一步分析了黃土的物理特性和水分特征，然后通過(guò)試驗(yàn)研究了不同壓實(shí)度狀態(tài)下土試樣的水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并測(cè)試了路基斷面的含水量分布狀態(tài)，得出壓實(shí)度對(duì)水分特征的影響規(guī)律。

1 土壤水分基本特征

1.1 土壤水體的形態(tài)

第一種是吸濕水，由于土壤顆粒比表面積較大，顆粒周?chē)乃肿雍苋菀孜皆谕令w粒表面，將水分束縛，受吸水系數(shù)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(xì)微孔隙中，在表面張力的作用下，彎液面下的液態(tài)水需要承受一定的毛管力，天然條件下，毛管力會(huì)使水分沿著土壤微小孔隙逐漸上升，也就是毛細(xì)作用。第四種稱為重力水，當(dāng)土壤孔隙比較大時(shí)，毛細(xì)作用變?nèi)?，在重力作用下，土壤中的水?huì)發(fā)生流動(dòng)或者下滲。

1.2 土壤水體的能態(tài)

土壤水的能量特征主要表現(xiàn)為水勢(shì)，即土壤中任意兩點(diǎn)之間的水的勢(shì)能之差，水勢(shì)是土壤水運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，水分從高水勢(shì)向低水勢(shì)方向流動(dòng)。水勢(shì)選取某一特定溫度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以不含任何雜質(zhì)的純自由水作為參考狀態(tài)。通常所說(shuō)的某點(diǎn)的土水勢(shì)就是部位單位體積單元的土壤含有的水分具有的勢(shì)能大小。所以，通常情況下可以用質(zhì)量、容積、重量來(lái)表示土水勢(shì)。對(duì)于黃土路基而言，在壓實(shí)過(guò)程中，其單位體積的水分含量不斷發(fā)生變化，因此其土水勢(shì)也在發(fā)展遷移變化，土水勢(shì)包括重力勢(shì)、壓力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)以及溫度勢(shì)等，上述5種分勢(shì)能之和便是總的土水勢(shì)。

1.3 土壤水的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征

與自然界其他物質(zhì)相比，土壤水特性比較特殊，無(wú)論處于什么狀態(tài)，土壤水都具有一定大小的內(nèi)能，這種內(nèi)能和熱力學(xué)第二定律有著緊密聯(lián)系。整個(gè)土壤水源系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)能夠?qū)ν饨缱龉?，一種是非體積功，產(chǎn)生各種機(jī)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(chǎn)生的。土壤水的熱能只能從高溫狀態(tài)向低溫狀態(tài)釋放和過(guò)渡。土壤水的動(dòng)力學(xué)特征主要表現(xiàn)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(zhì)勢(shì)梯度提供的驅(qū)動(dòng)力作用，在路基壓實(shí)過(guò)程中，由于外部荷載沖擊擠壓，對(duì)路基內(nèi)水的遷移運(yùn)動(dòng)帶來(lái)更為復(fù)雜的影響作用。

2 水分特征曲線測(cè)定

2.1 黃土的特性

2.1.1 物理性質(zhì)

試驗(yàn)使用的黃土是來(lái)自忻阜高速公路K45+000-K46+070段現(xiàn)場(chǎng)土，物理指標(biāo)主要包括天然含水量、孔隙率、容重、塑限、液限等。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[3]相關(guān)要求和試驗(yàn)方法，結(jié)合本研究具體情況，采用烘箱、聯(lián)合液塑限儀、重型擊實(shí)試驗(yàn)等方法對(duì)黃土的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)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(jī)質(zhì)的持水性強(qiáng)，表面能大，形成土的膠結(jié)成分，這些部分遇到水之后，其受力特征會(huì)發(fā)生較大變化。從顆粒組成角度看，黃土大多數(shù)顆粒粒徑都小于0.25 mm。主要以粉土和小顆粒土為主，對(duì)黃土的顆粒分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 各級(jí)顆粒分析圖

從圖1所示顆粒分析結(jié)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(guò)了95%，而粒徑超過(guò)0.25 mm的土體，其比例僅僅占了0.001%，幾乎趨于零。也就是說(shuō)，黃土的顆粒粒徑整體相對(duì)較小，比表面積大，對(duì)水的吸附作用強(qiáng)。因此，土中水體遷移規(guī)律比較復(fù)雜。

2.2 試驗(yàn)方法

土中水的能量大小一定程度上對(duì)土體的性能產(chǎn)生影響，通過(guò)試驗(yàn)分析不同壓實(shí)度下水的能態(tài)特性有助于更好地研究水分遷移規(guī)律。采用離心機(jī)法測(cè)定土中水勢(shì)的大小，其基本原理是利用離心力場(chǎng)測(cè)定水勢(shì)大小。試驗(yàn)時(shí)將試樣用孔徑為2 mm的篩子過(guò)篩并風(fēng)干。然后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求制備5個(gè)等級(jí)的壓實(shí)度土樣進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試樣的容重要求分層放入離心管，然后將土體的毛細(xì)管用水飽和，放入離心機(jī)進(jìn)行脫水。試驗(yàn)按照不同的巴進(jìn)行脫水處理，當(dāng)達(dá)到15巴后，將土體烘干，并計(jì)算土壤的含水量，進(jìn)而分析土體的能量特征。土壤的水勢(shì)根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：H為水勢(shì)；n為轉(zhuǎn)速；h為裝土量，g；r為離心機(jī)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(yàn)結(jié)果與分析

采用離心機(jī)測(cè)定土中水分的特征曲線準(zhǔn)確率比較高，但是由于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)土壤的容重有影響，一般情況下，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，土壤的重度越大。因此，為了使5種壓實(shí)度狀態(tài)下的土壤時(shí)間形成對(duì)比便于分析，對(duì)5種壓實(shí)度分別為80%、83%、86%、89%、92%的試樣在相同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各壓實(shí)度下的水分特征曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于非飽和土而言，隨著含水量的變化，基質(zhì)吸力發(fā)生變化的幅度較小，在壓實(shí)度為80%時(shí)，相對(duì)含水量小的情況下，基質(zhì)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(zhì)吸力受含水量變化影響較小，從曲線變化規(guī)律可知，在不同壓實(shí)度條件下，各試樣的水分特征曲線規(guī)律相似，在基質(zhì)吸力小于2巴的前半段，曲線較陡，說(shuō)明對(duì)于試驗(yàn)所用的黃土而言，當(dāng)基質(zhì)吸力較小時(shí)，含水量是影響基質(zhì)吸力的主要因素。而在曲線后半段，曲線比較平緩，說(shuō)明當(dāng)基質(zhì)吸力較大時(shí)，基質(zhì)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(jiàn)，對(duì)于天然含水量下的非飽和黃土而言，其工程性質(zhì)受含水量變化影響較大。

3 水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)

3.1 濕潤(rùn)鋒濕度與平均速率

在非飽和土中，導(dǎo)水參數(shù)主要包括導(dǎo)水率、水分?jǐn)U散率等[4]。根據(jù)試驗(yàn)要求，將風(fēng)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(jī)玻璃管進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)設(shè)置10個(gè)重復(fù)土柱，4個(gè)重復(fù)試驗(yàn)對(duì)不同壓實(shí)度的濕潤(rùn)鋒濕度與前進(jìn)速率之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 各壓實(shí)度下的濕潤(rùn)鋒濕度與速率關(guān)系曲線

從圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同壓實(shí)度條件下，試樣的濕潤(rùn)鋒濕度變化速率的規(guī)律比較相近，但是，壓實(shí)度高的情況下，土體試樣的變化速率相對(duì)較大。從曲線的變化情況看，濕潤(rùn)鋒濕度相對(duì)較小的情況下，速率變化幅度比較緩，幾種不同壓實(shí)度狀態(tài)下的速率比較接近，說(shuō)明當(dāng)濕潤(rùn)鋒濕度較小時(shí)，土體受到壓實(shí)度的影響較小，而當(dāng)濕潤(rùn)鋒濕度較大時(shí)，前進(jìn)速率逐漸拉大，而且隨著濕潤(rùn)鋒濕度的增大，其間的差距越來(lái)越大，通過(guò)濕潤(rùn)鋒濕度和前進(jìn)速率的關(guān)系得出導(dǎo)水率和擴(kuò)散率之間的關(guān)系。

3.2 導(dǎo)水率與壓實(shí)度關(guān)系

土壤導(dǎo)水率也叫做土壤的滲透能力，導(dǎo)水率和土壤種類、孔隙分布、結(jié)構(gòu)特征、鹽分含量、溫度和含水量有關(guān)。由于路基壓實(shí)過(guò)程中，上部荷載沖擊作用會(huì)改變土壤的結(jié)構(gòu)、孔隙，而且還會(huì)引起土壤中的水分遷移。采用滲透筒試驗(yàn)對(duì)土體在不同壓實(shí)度狀態(tài)下的導(dǎo)水率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同壓實(shí)度導(dǎo)水率試驗(yàn)結(jié)果

從圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)試樣土體的壓實(shí)度較小時(shí)，土體的滲透系數(shù)較大，隨著壓實(shí)度的增大，導(dǎo)水率逐漸增加，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到89%時(shí)，其滲透導(dǎo)水率出現(xiàn)輕微下降，此外，隨著容積水含量的增加，試樣土的導(dǎo)水率逐漸增大，壓實(shí)度為80%，容積水含量小于0.20時(shí)，增幅較小，容積水含量較大時(shí)，其導(dǎo)水率增幅較大。然而，隨著壓實(shí)度的增加，其導(dǎo)水率下降幅度十分明顯。

3.3 擴(kuò)散率與壓實(shí)度關(guān)系

采用馬氏瓶試驗(yàn)測(cè)定不同壓實(shí)度下的擴(kuò)散率，試驗(yàn)進(jìn)行5 min后，記錄土柱中濕潤(rùn)鋒的前進(jìn)距離，當(dāng)濕潤(rùn)鋒濕度達(dá)到土柱長(zhǎng)度的3/4時(shí)，取土測(cè)定含水量計(jì)算土壤水分?jǐn)U散率，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同壓實(shí)度擴(kuò)散率試驗(yàn)結(jié)果

土的擴(kuò)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(shí)度增加，結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙變小，導(dǎo)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(qiáng)，擴(kuò)散率降低，水分運(yùn)動(dòng)則更為復(fù)雜。當(dāng)干容重較小時(shí)，土體孔隙較大，結(jié)構(gòu)松散，土顆粒之間的薄膜水連通性相對(duì)較弱，水分遷移困難，當(dāng)薄膜水存在的情況下，隨著干重度的增加，水分?jǐn)U散系數(shù)逐漸增大。因此，路基填土壓實(shí)度越大，其強(qiáng)度越高，受到水分的影響就越小。

4 水分分布律分析

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

為分析路基不同部位和深度的含水量分布規(guī)律，通過(guò)鉆芯取樣對(duì)坡腳、邊坡、路肩、行車(chē)道及中央分隔帶的含水量變化進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 路基含水量分布規(guī)律測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2 黃土路基水分分布規(guī)律

對(duì)忻阜高速公路K45+000-K46+070段填土路基各部位含水量測(cè)試結(jié)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(jié)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(shuō)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(kuò)散作用下，路基內(nèi)部的含水量也發(fā)生變化。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)黃土路基填土的性能，分析了土中水的形態(tài)和能態(tài)，并通過(guò)試驗(yàn)分析黃土路基在壓實(shí)過(guò)程中的水分能量、水分遷移等特征。結(jié)果表明：隨著壓實(shí)度的增大，基質(zhì)吸力逐漸降低。天然含水量下的非飽和黃土的工程性質(zhì)受含水量變化的影響較大。土的導(dǎo)水率和擴(kuò)散率隨干容重變化對(duì)水分?jǐn)U散率的影響較為明顯，壓實(shí)度增加，土體結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙變小，土的導(dǎo)水性能和透水性能降低，路基填土壓實(shí)度越大，強(qiáng)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(shí)過(guò)程中，土的導(dǎo)水率和擴(kuò)散率逐漸降低，因此，壓實(shí)度越大，路基受到水分的影響越低，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性越好。