董連成, 王昊玉， 高 瑞， 程江東

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

0 引 言

近年來，隨著祖國(guó)“西部大開發(fā)”和“振興東北”等國(guó)家戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，季凍區(qū)的高鐵建設(shè)等重大基礎(chǔ)工程也在大力展開[1-3]。這些重大基礎(chǔ)工程如哈大高鐵、哈牡高鐵、哈齊高鐵的成功建設(shè)，促進(jìn)了哈爾濱的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略布局。隨之而來的是季凍區(qū)高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)問題以及季凍區(qū)修建軌道經(jīng)常性遇到的凍脹融沉等工程病害。輕者會(huì)令土體產(chǎn)生不均勻沉降以及軌道不平順問題，重者會(huì)造成地承載能力下降，嚴(yán)重影響列車行駛安全。因此，對(duì)高鐵路基凍脹驅(qū)動(dòng)力的研究十分重要。

現(xiàn)有已建成的哈爾濱季凍區(qū)高速鐵路大多采用無(wú)砟軌道鋪設(shè)形式。采用這種形式的高鐵路基層由混凝土層封閉，下層液態(tài)水向上遷移受阻，氣態(tài)水受溫度和基質(zhì)勢(shì)的影響匯聚在混凝土面層，在溫度的影響下凝結(jié)成冰，產(chǎn)生凍脹力從而造成路面不均勻沉降。這種現(xiàn)象由李強(qiáng)等[4]命名為“鍋蓋效應(yīng)”。

高鐵路基大多屬于非飽和土體。非飽和土體中水分遷移主要由氣態(tài)水和液態(tài)水兩種方式進(jìn)行。對(duì)于無(wú)砟鐵道地下水位很深的情況，液態(tài)水沒有充足的補(bǔ)給源，水分遷移大多是以氣態(tài)水的形式進(jìn)行[5-8]。由土水勢(shì)理論[9]可知，土中存在著重力勢(shì)、溫度勢(shì)、滲透勢(shì)以及基質(zhì)勢(shì)，在不含鹽的土體中滲透勢(shì)可認(rèn)為不存在。根據(jù)王鐵行等[10]所得出的結(jié)論，在土體的質(zhì)量含水率小于18%的情況下，可忽略重力勢(shì)對(duì)水分遷移的影響。由于基質(zhì)勢(shì)僅為含水率所影響，溫度勢(shì)可以通過溫度梯度來控制。李彥龍等[8]首次運(yùn)用PVC管實(shí)驗(yàn)，通過控制含水率梯度實(shí)現(xiàn)氣態(tài)水遷移的實(shí)驗(yàn)。李穎穎[11]研發(fā)了水汽遷移的土柱模型實(shí)驗(yàn)裝置，在不同溫度梯度作用下，進(jìn)行了封閉體系和開敞體系條件下的水汽遷移實(shí)驗(yàn)研究。

文中通過濾紙法測(cè)定土水特征曲線，得出基質(zhì)勢(shì)作用界限值，通過控制不同初始含水量實(shí)現(xiàn)基質(zhì)勢(shì)梯度控制，通過控制試件上下部溫度達(dá)到控制溫度梯度。通過溫度梯度和基質(zhì)勢(shì)梯度作為主要驅(qū)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比二者的氣態(tài)水遷移量，分析水汽遷移在非飽和凍土中的主要驅(qū)動(dòng)作用，從而為高鐵的安全運(yùn)營(yíng)提供理論支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 土的力學(xué)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用土取自哈爾濱地區(qū)沉積粉質(zhì)黏土，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，運(yùn)用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀、環(huán)刀、烘干箱等儀器測(cè)得各項(xiàng)基本力學(xué)參數(shù)。其中，最大干密度ρ為1.86 g/cm3，液限Kwp為32.70%，塑限Kwl為16.5%，最佳含水率Kw為13.50%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

1.2.1 土水特征曲線

由于基質(zhì)勢(shì)主要受到含水率控制，基質(zhì)吸力和含水率的關(guān)系對(duì)于分析土的基質(zhì)勢(shì)至關(guān)重要。土力學(xué)中通常將這種關(guān)系用土水特征曲線(SWCC)來表示。濾紙法[12]適用于吸力全范圍測(cè)試，且操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)周期較短。故文中采用此方法進(jìn)行測(cè)定。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將“雙圈”牌濾紙和取自哈爾濱地區(qū)的粉質(zhì)黏土放入烘干箱內(nèi)烘干12 h，取出靜置待溫度冷卻后分別配置5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%8種含水率。每種含水率各配置兩組作為平行實(shí)驗(yàn)取平均值。

(2)將配置好的黏土放入燜料罐內(nèi)密封靜置72 h，使土壤含水率均勻分布。

(3)靜置后的粉質(zhì)黏土再次測(cè)定其實(shí)際含水率。

(4)以含水率13%的粉質(zhì)黏土為例，通過精度為0.001的高精度天平測(cè)定3張干燥后的濾紙質(zhì)量，取凡士林涂抹環(huán)刀一周，將3張濾紙夾到兩個(gè)環(huán)刀之間，并用黑膠帶進(jìn)行密封，如圖1所示。

(5)將組合好的土樣放入燜料罐中靜置14 d，燜料罐周圍溫度恒定為20 ℃。

(6)14 d后取出土樣，拆解土樣后測(cè)量其濾紙含水率。

圖1 環(huán)刀樣Fig. 1 Ring cutter sample

將濾紙法實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)代入率定曲線公式，計(jì)算后得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 土水特征曲線Fig. 2 Soil-water characteristic curve

由圖2可知，基質(zhì)吸力F隨含水率K的增加而降低，含水率在達(dá)到10%之后基質(zhì)吸力呈下降趨勢(shì)。M.J.Fayer等[13]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出描述土水特征曲線的概念性模型，將該曲線分為3個(gè)區(qū)段：土體吸力范圍在 104～106kPa 的線段稱為牢固吸附段；在102～104kPa的線段稱為水膜吸附段；在0～102kPa的線段稱為毛細(xì)作用段。

參考該模型，文中實(shí)驗(yàn)中粉質(zhì)黏土的 SWCC 曲線主要包括水膜吸附段和毛細(xì)作用段。含水率 15.3%～19.0%階段屬于毛細(xì)作用段，含水率 15.3%以下階段屬于水膜吸附段。由此可見，在含水量達(dá)到15.3%之后，由吸附作用轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)作用，土體對(duì)液態(tài)水的吸持作用大幅減弱。

1.2.2 水汽遷移

文中設(shè)計(jì)一組將基質(zhì)吸力、獨(dú)立運(yùn)用基質(zhì)勢(shì)作為驅(qū)動(dòng)力的水汽遷移實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)將溫度梯度作為水汽遷移主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的前提下，進(jìn)一步引入了基質(zhì)勢(shì)對(duì)水汽遷移的影響。

由土水特征曲線，在含水率低于10%時(shí)，基質(zhì)吸力維持在240 kPa左右，在含水率達(dá)到15.3%時(shí)，水分遷移方式從吸附階段轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)作用階段，在含水率高于15.3%時(shí)，基質(zhì)吸力大幅減弱。因此，實(shí)驗(yàn)將粉質(zhì)黏土分為3份，分別配置7%的低含水率、15%的中含水率以及19%的高含水率土樣。

實(shí)驗(yàn)分為兩組進(jìn)行，共12個(gè)試件。第1組6個(gè)土柱試件以溫度梯度為主要驅(qū)動(dòng)力，通過不同溫度梯度控制蒸發(fā)的氣態(tài)水，干端含水率即為氣態(tài)水遷移量。另一組6個(gè)土柱試件以基質(zhì)吸力為主要驅(qū)動(dòng)力，通過控制不同的初始含水率控制不同的基質(zhì)勢(shì)梯度，在恒定溫度下，水分遷移只受基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的作用。

圖3、4分別為水汽遷移實(shí)驗(yàn)的基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)剖面圖和溫度勢(shì)驅(qū)動(dòng)的剖面圖。

圖3 溫度勢(shì)驅(qū)動(dòng)剖面Fig. 3 Temperature potential driven profile

圖4 基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)剖面Fig. 4 Matrix potential driven profile

(1)將配置好的土樣放入燜料罐中靜置48 h，待含水率分布均勻測(cè)其實(shí)際含水率。兩組實(shí)驗(yàn)均含有相同的3種初始含水率。

(2)試件由兩個(gè)半徑5 cm、高10 cm的PVC管組合而成。其中，溫度勢(shì)驅(qū)動(dòng)的試件需在中間設(shè)置2 cm高度的中空層并將其用保溫套管圍住，防止溫度流失，保證PVC管不會(huì)吸收水分和熱量。0.355 mm尼龍紗網(wǎng)可以保證粉質(zhì)黏土不會(huì)滲漏，且孔隙大小足夠氣態(tài)水通過。中空層為氣態(tài)遷移提供足夠的通道?；|(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的試件分為左右兩個(gè)PVC塑料管，中間放置兩層隔水透氣膜。在恒定溫度下，水分遷移只受基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的作用。由于干濕兩端土體間存在兩層隔水透氣膜，僅有氣態(tài)水通過。組合完成后進(jìn)行7 d的室外凍結(jié)，如圖5所示。

圖5 室外凍結(jié)Fig. 5 Outdoor freezing

(3)第1組實(shí)驗(yàn)是以溫度梯度為驅(qū)動(dòng)力的水汽遷移實(shí)驗(yàn)。將凍好的試件用正負(fù)溫溫度計(jì)測(cè)其實(shí)際負(fù)溫值，測(cè)得值為-7.5 ℃。測(cè)量試件完成后，將試件垂直放在恒溫加熱器上，上端為干土，烘干后其含水率為0，稱其為干端，下端凍結(jié)過后含有水的土稱為濕端。恒定溫度設(shè)為30和50 ℃進(jìn)行快速升溫，如圖6所示，通過JF-956B微電腦加熱平臺(tái)對(duì)PVC管底部進(jìn)行加熱，維持升溫4 h后立即分層測(cè)其干端的含水率。此時(shí)，干端的含水量即為溫度梯度影響下的氣態(tài)水含量。

圖6 30和50 ℃下的水汽遷移Fig. 6 Water vapor migration at 30 and 50 ℃

第2組實(shí)驗(yàn)為基質(zhì)吸力作用下的水分遷移實(shí)驗(yàn)。配置試件完成后，左側(cè)為烘干的土樣，右側(cè)為冰凍后的土樣，將土樣同時(shí)冰凍至相同溫度，兩端土樣密切接觸，中間放置兩層隔水透氣膜。此時(shí)，由于溫度恒定，且左側(cè)土樣含水量為零，所以此時(shí)氣態(tài)水遷移只受基質(zhì)吸力的作用。將制備好的兩組試件水平放置在恒溫箱中，維持溫度保持在30 ℃，在3和7 d后分別取出兩組土樣。左右兩端土樣中間由兩層隔水透氣膜隔開，保證在水分遷移過程中，只有氣態(tài)水能從中通過。分層取土之后所計(jì)算的左側(cè)干土總含水量即為受基質(zhì)吸力影響的氣態(tài)水含量。

2 結(jié)果分析

2.1 基質(zhì)勢(shì)作用下的水汽遷移

基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)如圖7所示，l為干端左側(cè)到右側(cè)的距離。干端右側(cè)最接近濕端，水汽含量最高。通過對(duì)干端含水率取算術(shù)平均值可知：19%含水率的平均氣態(tài)水含量η為1.32%，15%含水率的平均氣態(tài)水含量為0.51%，7%含水率的平均氣態(tài)含量為0.13%?？梢?，隨著含水量梯度的增加，氣態(tài)水含量增大。非飽和凍土較大的含水量梯度即較高的基質(zhì)勢(shì)梯度越大則其對(duì)水分遷移的驅(qū)動(dòng)力就越強(qiáng)，其遷移量也就越大。從圖7中還可以看到，19%含水率的氣態(tài)水變化量為0.069，15%含水率的氣態(tài)水變化量為0.034，7%含水率的氣態(tài)水變化量為0.019，高含水率存在著較高的氣態(tài)水變化量。這是因?yàn)楦吆识螌儆诿?xì)作用段，吸力作用大，驅(qū)動(dòng)水分快速遷移。通過圖7可以看出，3和7 d的水分遷移量隨著遷移時(shí)間的增加卻不斷地減小。這是由于隨著遷移時(shí)間的增加，土樣內(nèi)部的含水量逐漸趨于勻分布，土樣內(nèi)部的基質(zhì)勢(shì)梯度也隨之減小。

圖7 基質(zhì)勢(shì)作用下含水率變化曲線Fig. 7 Variation curves of water content under matrix potential

2.2 溫度勢(shì)作用下的水汽遷移

第2組為溫度勢(shì)驅(qū)動(dòng)組。通過不同的溫度梯度來控制水汽遷移干土端的含水率變化，如圖8所示，記l1為干端下緣到頂部的距離。干土端下部最先吸收到下部濕土端向上蒸發(fā)的氣態(tài)水，即圖中10 cm處含有較高的初始含水率。通過對(duì)30 ℃干端含水率取算術(shù)平均值可知：19%含水率的平均氣態(tài)水含量為4.88%，15%含水率的平均氣態(tài)水含量為1.53%，7%含水率的平均氣態(tài)含量為0.26%?？梢姡?0 ℃的快速升溫下，高含水率土樣具有更大的水汽遷移量。

圖8 溫度勢(shì)作用下含水率變化曲線Fig. 8 Variation curves of water content under action of temperature potential

根據(jù)圖8可知，不同溫度下，相同含水率有近似相等的斜率，即氣態(tài)水的變化量大致相同。這是由于在不考慮基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)的作用下，氣態(tài)水遷移僅受溫度梯度的影響。相同溫度下，含水率越高氣態(tài)水遷移量越大；相同含水率下，50 ℃的氣態(tài)水遷移量高于30 ℃的氣態(tài)水遷移量，可知溫度梯度越大，水分驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)。

2.3 兩種勢(shì)能對(duì)比分析

通過比較兩組數(shù)據(jù)可以看出，受溫度勢(shì)作用的水汽遷移量整體上要高于受基質(zhì)勢(shì)作用的水汽遷移量，在19%含水率的土樣中最為明顯。19%含水率溫度勢(shì)水汽遷移量最高可達(dá)8%，高于基質(zhì)勢(shì)的3.8%。可見，溫度勢(shì)驅(qū)動(dòng)是水汽遷移主要驅(qū)動(dòng)力，但基質(zhì)勢(shì)的影響同樣不容忽略，尤其是在土體處于低含水率階段，基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)氣態(tài)水遷移量并不少于溫度梯度的遷移量，同樣作為主要遷移驅(qū)動(dòng)力的存在。

3 結(jié) 論

(1)哈爾濱本地粉質(zhì)黏土進(jìn)行基質(zhì)吸力和水汽遷移實(shí)驗(yàn)表明，單因素分析下，溫度勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)對(duì)氣態(tài)水遷移有顯著影響，遷移量主要受溫度梯度和含水率梯度兩方面控制。

(2)低于15%含水率的水膜吸附段基質(zhì)勢(shì)和溫度勢(shì)同時(shí)作為水汽遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，高于15%的毛細(xì)作用段，溫度勢(shì)作用更加明顯。

(3)同時(shí)考慮兩種勢(shì)能的溫度場(chǎng)與水分場(chǎng)可知，高含水率與高溫度會(huì)產(chǎn)生更大水汽遷移量。