路基蒸發影響因素顯著性模型試驗研究

曹得占

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430071)

在溫度、風等外界因素作用下，水會發生蒸發作用。土壤中的水分也會在這些因素影響下因蒸發而減少，但是路基土畢竟與原狀土有所區別，即較大的壓實度和較小的孔隙率，蒸發的因素對路基含水量的變化一般表現在長期緩慢的作用。Thomas等［1，2］采用一維Richard水分運動方程模擬了在氣候變化下土體脫濕變干行為。之后Thomas等［3-5］采用非飽和土力學流固耦合理論，分析了土體濕度、變形的季節性變化規律，計算模型中蒸發邊界條件均直接取自氣象觀測所得的潛在蒸發量。盧再華［6］對膨脹土邊坡進行了土與大氣相互作用的數值模擬;Cui等［7］采用Wilson提出的模型對法國某試驗現場非飽和土中的含水率和溫度變化進行了數值模擬;陳建斌等［8］重點分析了在氣候等外界因素對非飽和土的蒸發量的影響因素;賀再球研究了非飽和土氣態水遷移規律及耦合計算公式與液態水的混合遷移情況。

然而在強降雨的條件下短時期內對路基含水量變化將會產生什么樣的影響，影響效果到底有多大，與降雨因素相比影響的顯著程度究竟如何現有的研究較少。所以，本文通過模型試驗驗證蒸發作用對路基中含水量動態變化影響的顯著性。同時，探求蒸發作用下水分在路基中不同部位的分布規律情況。

1 模型試驗

1.1 試驗原理

制作一個含水量已知、特定壓實度的路基物理模型，將模型放置在一定條件的環境下，只允許土基在邊坡處發生蒸發作用，對土基中的含水量按時間間隔進行測量，一段時間后對比此時的含水量與初始含水量的大小，從而驗證蒸發作用對土基中含水量變化的顯著性。

1.2 試驗過程

1)場地清理和模板的建立。清除場地范圍內的雜草，挖除草根;表面土清除:表面種植土用鐵锨清除，整平，露出鮮土為止;地表填充前碾壓，用壓實鐵餅對地表進行壓實;用磚(高20 cm)圍成1.5 m×1.2 m的場地，并在磚壁上每10 cm標出分層線。

2)路基的填充和夯實。首先用試驗用土在地表撒鋪一層約2 cm～3 cm。防止地表干燥對試驗數據產生影響。根據之前計算按壓實度76%，每層的土用量為310斤(155 kg)，水6.92 kg(共三層465 kg±水20.76 kg)。

3)削坡。對路基橫斷面進行劃分，雙車道+路肩，削坡坡度比為1∶1.5，用塑料薄膜把路基模型上面及三周(除邊坡外)罩住。制作好的物理模型試驗示意圖如圖1所示。

圖1 物理模型試驗示意圖

1.3 試驗數據采集

試驗通過模擬西南地區雨季，邊坡水分的蒸發對整個路基含水量的影響，試驗數據每隔10 h測取，相當于實際情況下每隔3 d測含水量。整個試驗階段共為8 d。每天上午9點，下午16點各測取一次數據，數據采集過程如下:

1)在事先劃分好的區域內，利用水分感應器進行測量，注意試驗過程感應器一定要垂直路基表面插入，垂直表面拔出，同時避免對路基表面的損壞;

2)待插入后間隔1 min左右讀取數據并作相應記錄，然后繼續下一區域的測量，注意按規定區域測量;

3)邊坡測量時，由于邊坡的蒸發量大，所以測量宜先插入半針，然后再插入全針。分別量測邊坡不同深度的含水量，邊坡測量的區域按均勻等分原則可分為8大塊，16小塊。按相應位置進行量取;

4)數據采集完畢后，進行匯總分析，得出路基內部含水量隨時間的變化關系曲線，路基邊坡含水量隨時間，深度變化的關系曲線。

2 試驗結果與分析

各個測區分布位置如圖2所示。

圖2 測區位置分布圖

邊坡區含水量變化曲線圖如圖3所示。

圖3 邊坡區含水量變化曲線圖

從圖中可以看出:

1)路基模型上邊坡在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級～二級風速、無降水補充、路基壓實度為77%等條件下經過4 d的蒸發作用含水量降低3.1%;同樣，中邊坡、下邊坡在相同條件下路基含水量分別降低了3.2%，5.6%。

2)邊坡含水量呈整體下降趨勢。早期含水量下降較快，后期含水量下降速度逐漸降低，并最后趨于穩定。

3)由于邊坡是路基模型直接受蒸發作用的區域，蒸發作用較為顯著;但隨著表面土基中水分的蒸發流失，表面與空氣直接接觸的水分減少，所以邊坡含水量蒸發速度呈現出先快后慢、最后趨于穩定的特點。

土基模型中含水量在蒸發作用下隨時間變化規律及一定時間后在空間上的分布規律如圖4，圖5所示。

圖4 含水量隨時間的變化規律

從圖4和圖5中可以看出，路基模型一區、二區、三區范圍在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級～二級風速、無降水補充、路基壓實度為77%等條件下經過4 d的蒸發作用含水量降低約1%;路基含水量總體呈先降低、后逐漸穩定的變化趨勢，含水量的降低主要發生在前3次的測量中。邊坡含水量發生變化，但是變化量較少，在空間上分布范圍也較小，由于試驗考慮的是雨季的變化情況，4 d(對應于實際中10 d左右)的含水量一般會有降水的補充，所以，從試驗結果可以看出，路基中含水量在雨季受蒸發作用影響較小。

圖5 含水量在空間上的分布規律

3 結語

路基模型上邊坡在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級～二級風速、無降水補充、路基壓實度為77%等條件下經過4 d的蒸發作用含水量降低3.1%;同樣，中邊坡、下邊坡在相同條件下路基含水量分別降低了3.2%，5.6%。邊坡含水量呈整體下降趨勢。早期含水量下降較快，后期含水量下降速度逐漸降低，并最后趨于穩定。路基模型一區、二區、三區范圍在室溫(25℃左右，并存在晝夜溫差變化)、一級～二級風速、無降水補充、路基壓實度為77%等條件下經過4 d的蒸發作用含水量降低約1%，路基中含水量在雨季受蒸發作用影響較小。

［1］劉祖典.黃土力學與工程［M］.西安:陜西科學技術出版社，1996.

［2］黃文熙.土的工程性質［M］.北京:水利電力出版社，1981.

［3］扈勝霞，周云東，陳正漢.非飽和原狀黃土強度特性的試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(4):660-663，672.

［4］夏旺民，郭增玉.Q1黃土的彈塑性損傷本構模型［J］.巖土力學，2004，25(9):1423-1426.

［5］BLIGHT G E.Interactions between the atmosphere and the earth［J］.Geotechnique，1997，47(4):715-767.

［6］盧再華.非飽和膨脹土的彈塑性損傷本構模型及其在土坡多場耦合分析中的應用［D］.重慶:后勤工程學院博士學位論文，2001.

［7］CUI Y J，LU Y F，DELAGE P，et al.Field simulation of in site water content and temperature changes due to ground-atmospheric interactions［J］.Geotechnique，2005，55(7):557-567.

［8］陳建斌，孔令偉，趙艷林，等.蒸發蒸騰作用下非飽和土的吸力和變形影響因素分析［J］.巖土力學，2007，2(9):1767-1778.