非飽和膨脹土水分遷移的試驗研究

翟聚云,魯 潔

(1.河南城建學院 河南 平頂山 467000;2.西安建筑科技大學 西安 710055）

地表膨脹土大都處于非飽和狀態,非飽和土體的水分遷移有液態水和氣態水兩種遷移形式[1]。非飽和膨脹土水分遷移過程、影響因素及變化規律非常復雜[2-3]。水分遷移引起土體含水量變化,從而引起土體的吸力及抗剪強度發生變化,容易引起工程事故的發生[4-8]。非飽和土體的水分遷移的原因有多種,有溫度梯度、含水量梯度、含水量水平、土體特性等[9-10],已有研究者也對特指土類遷移的大小及影響因素進行探討[11-14]。但對膨脹土的水分遷移過程及遷移量大小的資料缺乏報道,由于膨脹土具有很強的特殊性以及對含水量變化的敏感性,所以對此類問題的研究是很必要的。該文通過對河南平頂山膨脹土不同干—濕段含水量、不同靜置時間分組進行試驗研究,對等溫條件下氣態水遷移及氣液態水混合遷移規律問題進行探討。

1 試驗土樣及裝置

1.1 試驗土樣性質

試驗土體材料采用膨脹土,土樣取自河南平頂山市建設路與光明路交叉處,該膨脹土通過X射線衍射分析,得到土體的礦物成分見表1;該土體的基本指標見表2。

表1 膨脹土礦物成分/%

表2 膨脹土基本指標

本試驗使用擾動土樣,水分遷移在恒溫29℃條件下進行。

1.2 試驗裝置

進行氣態水遷移過程測試的試驗裝置,是制備特定較低含水量(干土)和較高含水量(濕土)的兩種擾動土,分別擊實裝入長10 cm一端封閉的PVC管,將兩管開口端處用接頭對接,使接觸處留有 1 cm的空間,因為膨脹土對水分吸附能力,接頭兩端的水分遷移只能以氣態水形式進行。

進行非飽和膨脹土氣態水與液態水混合遷移試驗時,采用長20 cm、一端封閉的PVC管,先擊實裝入干土10 cm,然后擊實裝入濕土10 cm,最后封閉端口,靜置到預定的時間后,開樣測定不同位置處的含水量分布情況。這樣干濕兩段土樣的水分遷移過程有氣態水遷移和液態水遷移共同存在。

2 氣態水遷移

試驗制備氣態水遷移試驗土體參數見表3。

表3 氣態水遷移試驗土體參數

為了探討相同初始干-濕段土體含水量不同靜置時間的遷移過程,將第2、3組氣態遷移試驗結果作以對比,圖1為干-濕段土樣的初始含水量為12.60%～17.42%經過10 d和14 d的測定含水量分布。

圖1 不同時間氣態水遷移結果

由圖1可以看出,隨著時間的增加,含水量變化及水分遷移量是不斷增加的。

為了探討相同靜置時間不同干-濕土段含水量的遷移情況,將第1、3組試驗結果作以對比,圖2為干-濕段土樣的初始含水量分別為10.20%～20.8%與12.60%～17.42%經過14 d的含水量變化。

圖2 不同初始含水量區間14 d氣態遷移結果

由圖2可以看出,干-濕段土樣含水量差別較大者,氣態水水分遷移量較多,而且較干段接頭近處含水量沿長度的梯度較大,是由于較干土體對水分的吸附作用阻止了水分的擴散所致,而較濕土段的含水量分布比較均勻,較濕段土粒周圍多為自由水,所以遷移速度比較快造成的。

3 氣態水與液態水混合遷移

氣態水與液態水混合遷移試驗制備試樣參數見表4。

表4 氣態水與液態水混合遷移試驗土體參數

為了得到相同含水量梯度不同靜置時間的遷移過程,將第5、6、7組試驗結果作以對比,圖3為干-濕段土樣的初始含水量為12.60%～17.42%分別經過5 d、10 d、14 d的實測含水量分布。

圖3 不同時間的含水量分布

由圖3可以看出,隨著時間的增加,含水量不斷變化及水分遷移量不斷增加的過程。

為了得到相同靜置時間不同干-濕段土樣的初始含水量的水分遷移情況,將第4與7組作以對比,見圖4。

圖4 不同初始含水量區間14 d混合遷移結果

由圖4可以看出,干-濕段土樣的初始含水量的不同,含水量變化也有顯著差異,而且含水量變化隨位置的分布規律及其含水量變化梯度也有明顯差別,這可能與土樣密度和含水量水平的差別有關[15],而且膨脹土因為水分的變化致使土顆粒體積變化[16],而土體是在固定空間內存在,其總體積不變,則土體孔隙體積就會發生變化,導致水分遷移的速度和遷移量發生變化。含水量變化與土體的位置有密切關系,接頭近處含水量梯度較大,含水量梯度作用下又引起水分遷移含水量不斷變化,隨著遷移的發生,含水量梯度逐漸變小,而且不同位置變化不同,致使遷移量的變化與時間和位置呈很復雜的非線性關系。

5與8組、6與 9組作以比較見圖5和圖6。

圖5 不同含水量區間5 d混合遷移結果

圖6 不同含水量區間10 d混合遷移結果

4 氣態水遷移與氣液混合遷移的對比分析

將相同初始干-濕段土樣含水量,相同靜置時間的氣態水遷移與氣液混合遷移的遷移量放在一起,如圖 7、8所示。

圖7為第1和4組的對比,初始干-濕段土樣含水量為10.20%～20.81%的氣態水遷移和氣液混合遷移的14天含水量分布情況;圖8為第2和6組的對比,初始干-濕段土樣含水量為12.60%～17.42%的氣態水遷移和氣液混合遷移10 d的含水量分布情況。

圖7 相同含水量區間14 d遷移結果

圖8 相同含水量區間10 d遷移結果

由圖7、8可以看出混合遷移量比氣體水遷移量明顯大得多,相同位置的差可以認為是液態水遷移的大小。從圖可以看出氣體水遷移量占總遷移量的比例隨位置的不同差別較大,主要原因是與不同位置土體本身的含水量水平有關,位置不同含水量大小和梯度有差別,而且在不停的變化;含水量較低時土粒對水分的吸附能力較強,阻止了液態水的流動,液態水遷移的比例就較小,含水量較高時,土顆粒周圍多為自由水,液態水遷移的比例就較大,因為含水量在變化,所以液態水遷移的比例隨時間和位置也是變化的。

5 結語

對等溫條件下膨脹土土樣進行水分遷移的試驗研究揭示出,相同遷移時間內,土質情況、含水量梯度和含水量水平對氣態水遷移和氣液水分混合遷移的遷移量均有較大影響,遷移量隨含水量梯度增加而增加,與時間和位置呈復雜的非線性關系。干、濕段含水量分布規律不同,干段接頭近處含水量梯度較大,濕段含水量分布比較均勻。在氣液混合遷移過程中,液態水遷移所占比例隨時間和位置的不同是變化的,含水量水平和梯度是其重要影響因素。本文得到的試驗結果可以為膨脹土水分遷移的進一步研究提供可靠的資料。

[1]FREDLUND G,RAHADJO H.Soil mechanics for unsaturated soils[D].New York:John Wiley&Sons,1993.

[2]包承綱,詹良通.非飽和土性狀及其與工程問題的聯系[J].巖土工程學報,2006,28(2):129-136.BAO CHENG-GANG, ZHAN LIANG-TONG.Relationship between unsaturated soil behaviorand engineering problems[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(2):129-136.

[3]翟聚云.非飽和膨脹土非穩態滲流方程的參數探討[J].冰川凍土,2009,31(3):582-585.ZHAI JU-YUN.A Study on parameters of unsteady transfusion equation about unsaturated expansive soil[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2009,31(3):582-585.

[4]梁寧慧,劉新榮,陳建功,等.巖體滲透特性對邊坡穩定性影響分析[J].地下空間與工程學報,2006(2):1003-1006.LIANG NING-HUI,LIU XIN-RONG,CHEN JIANGONG,et al.Numerical snalysis of the rock seepage character for the influence of slope＇s stability[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2006(2):1003-1006.

[5]林鴻州,李廣信,于玉貞,等.基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響[J].巖土力學,2007,28(9):1931-1936.LIN HONG-ZHOU,LI GUANG-XIN,YU YU-ZHEN,et al.Influence of matric suction on shear strength behaviorofunsaturated soils[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(9):1931-1936.

[6]李守德,王保田,許永振,等.路基非飽和土水分運移及其對邊坡穩定性的影響[J].中南公路工程,2005,30(4):53-56.LI SHOU-DE,WANG BAO-TIAN,XU YONG-ZHEN,et al.Study on watertransportation and stability variation of roadbed unsaturated slope[J].Journal of central South Highway Engineering,2005,30(4):53-56.

[7]董玉文,郭航忠,任青文.屈服準則對土質邊坡穩定安全度計算的影響分析[J].重慶建筑大學學報,2006,28(3):51-55.DONG YU-WEN,GUO HANG-ZHONG,REN QINGWEN.Influence of yield criterion on calculating safety degree of soil slope[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2006,28(3):51-55.

[8]劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[9]王鐵行,陸海紅.溫度影響下的非飽和黃土水分遷移問題探討[J].巖土力學,2004,7(25):1081-1084.WANG TIE-HANG,LU HAI-HONG.Moisture migration in unsaturated loess considering temperature effect[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(7):1081-1084.

[10]KRISHNAIAH S,SINGH D N.A methodology to determinesoil moisture movement duetothermal gradients[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2003,27:715-721.

[11]彭小紅,鄭澤根,丁文川,等.垃圾填埋場的污染與防治[J].重慶建筑大學學報,2007,29(4):140-143.PENG XIAO-HONG,ZHENG ZE-GEN,DING WENCHUAN,etal.The pollution of land fill and its prevention[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2007,29(4):140-143.

[12]GUO L,JURY W A.Coupled production and transport of selenium vapor in unsaturated soil:evaluation by experiments and numerical simulation[J].Journal of Contaminant Hydrology,2001,49(1/2):67-85.

[13]ANN DUECK.Laboratory results from hydromechanical tests on water unsaturated bentonite[J].Engineering Geology,2008,97:15-24.

[14]JAMES GRAHAM,KRISTAGELMICH HALAYKO,HAROLD HUME,et al.A capillarity-advective model for gas break-though in clays[J].Engineering Geology,2002,64:273-286.

[15]王鐵行,賀再球,趙樹德,等.非飽和土體氣態水遷移試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,18(24):3271-3275.WANG TIE-HANG,HE ZAI-QIU,ZHAO SHU-DE,et al.Experimental study on vaporous water transference in loess and sandy soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,18(24):3271-3275.

[16]魯潔.膨脹土增濕變形特性研究[D].西安:西安建筑科技大學,2008.