水分遷移對高山草甸區非凍結路基土的影響

孟屯良， 魏 進， 吳冠慶， 黃 璜

(1.中交通力建設股份有限公司， 西安 710075； 2.長安大學公路學院， 西安 710064)

在中國，季節性凍土面積約513.7×104km2[1]。青藏高原地區分布著大量的長年凍土和季節性凍土，屬于典型的高山草甸區，道路凍脹翻漿等病害大量發生。凍脹翻漿的主要原因是水分遷移。目前凍土(包括正凍土和已凍土)中的水分遷移，已被視為土凍結作用中的核心問題之一，受到世界上許多國家的重視。據不完全統計，除中國外，目前開展這類研究的主要有美國、俄羅斯、加拿大等國家[2]。道路凍害是影響這些地區經濟發展的主要問題之一。

關于水分遷移在凍土中的影響。李楊等[3]研究了東北地區水分遷移對季凍土的凍融影響。Taber[4]通過對圓柱形黏土試樣進行凍結試驗研究，發現冷卻表面水分遷移現象比較明顯。Iwata[5]研究了凍結黏土中水分遷移的驅動力，并分兩部分進行研究：一是凍土段內水分遷移驅動力，通過理論推導確定了溫度梯度是凍土段內水分遷移的主要驅動力；二是水分從未凍土段到凍土段的遷移驅動力，發現未凍土段到凍土段水分遷移驅動力主要取決于凍結前緣相接處的未凍部分水的過冷溫度。高玉佳等[6]研究了溫度對季節性凍土水分遷移特征的影響，結果表明地表溫度降低導致土中溫度梯度增加，促進了季節性凍土中的水分遷移過程。秦愛芳等[7]對上海特有黏土進行凍脹特性及水分遷移試驗研究，利用CT掃描技術分析了凍結試驗后土樣的水分遷移情況，得出各土樣冷端含水率大于自由端，并對凍結后土體含水率與土體凍脹率及凍脹力之間的關系進行了分析。王英浩等[8]對內蒙古河套灌區一個凍融周期內不同深度的溫度和含水量進行現場測試，分析溫度對水分遷移規律，得出渠道邊坡中上部水分遷移量比下部小。曹成等[9]研究了土體在不同性狀下水分遷移的現象。Haverkamp等[10]研究了土體非飽和帶和滲流帶的水分遷移，提出了土體物理性質和水分特征相關的非飽和土體水流方面的概念，表明土體的水力特性有不同功能特性，并解決了在不同的水力特性、預測方法及測量范圍下土體的水力特性。

產生凍脹、翻漿病害的重要原因為水分遷移。從以往研究來看，對高山草甸區非凍結路基土的水分遷移研究較少。現以貢覺至芒康公路改擴建工程為依托，該段所處地區海拔高度在4 000～4 600 m，屬于典型的高山草甸區。該段全線凍脹翻漿病害段落244段，影響路線長達27 567 m，尤其是細粒土含量較多地段凍脹、翻漿較為嚴重。為了獲得路基土在非凍結條件下的入流通量與細顆粒含量、初始含水率等影響因素的變化關系，設計了路基土在非凍結條件下的水分遷移試驗。相應的研究成果可以幫助人們在高山草甸區中，明晰水分在非凍結路基填土中的遷移規律。從而控制路基土的填筑最小高度的范圍，同時采取相應的措施防止路基土的凍脹、翻漿等病害的發生。

1 非凍結路基土水分遷移試驗

毛管力和土粒表面的吸附力是土中毛細管產生的，其引起的吸持水分的能力為基質勢[11]。為了在消除基質勢對入流通量影響的前提條件下建立與細顆粒含量、凍融歷史等影響因素有關的遷移勢模型，設計了路基土在非凍結條件下的水分遷移試驗。根據馮寶平等[12]的研究成果，當室內溫度大于15 ℃，且溫差小于10 ℃時，溫度的變化對水分運動的影響可忽略。因此在非凍結路基土水分遷移試驗中，不考慮室內溫度的影響。

1.1 試驗用土

為研究細顆粒含量對非凍結路基土水分遷移能力的影響，試驗設計了四組級配良好的不同細顆粒含量土樣，分別為13%、16%、19%、22%的土樣。土樣粒徑級配結果如表1所示，級配曲線如圖1所示。

1.2 試驗儀器

試驗所采用的非凍結路基土水分遷移裝置整體結構示意圖及實物圖如圖2、圖3所示。

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗設計

為研究單一變量細顆粒含量、初始含水率對非凍結路基土的總入流量及入流通量的影響，通過控制變量的方法進行試驗設計：①相同初始含水率，不同細顆粒含量的土樣進行路基土水分遷移試驗；②相同細顆粒含量，不同初始含水率的土樣進行路基土水分遷移試驗。具體試驗設計如表2所示。

1.3.2 試驗方法及步驟

(1)土樣制備：①對現場土樣進行風干、篩分、分組、標號；②按照表1試驗用土顆粒級配配制土樣，取兩組一定量土測定風干含水率。配制試驗所需含水率的土樣，將水均勻噴灑于土樣上，充分拌勻后裝入密封的塑料袋內，再放入保濕器內進行悶料，濕潤一晝夜。

表1 試驗土樣顆粒級配設計

圖1 粒徑級配曲線Fig.1 Grain size gradation curve

1為計算機；2為水分傳感器采集系統；3為土樣筒；4為水分傳感器；5為頂板；6為排氣孔；7為橡膠管；8為馬里奧特瓶；9為進水孔；10為水槽；11為塑料膜；12為土樣圖2 水分遷移裝置Fig.2 Moisture movement device

圖3 試驗裝置實物圖Fig.3 Physical figure of test device

(2)試驗步驟：①按照要求的干密度分層(每層5 cm)裝入土樣。根據土樣筒的容積、干密度、含水率計算每層土樣所需的濕土質量，將土樣擊實至450 mm處；②把土樣筒頂端密封，在玻璃圓板上鉆取直徑2 mm的排氣孔；③在試驗筒側壁的小孔中插入水分傳感器；④將土樣筒放進水槽內靜置一夜；⑤第2天用橡膠管連接水槽與馬氏瓶，往水槽內加水至土柱底端上部3 cm處，打開馬氏瓶，根據馬氏瓶中玻璃管內水面的位置，調節玻璃管內水面位置，使其與玻璃管下管口在同一水平面上，并密封水槽；⑥連接水分傳感器與采集卡，在計算機上設置每隔十分鐘采集一次；⑦試驗結束后，取兩組不同高度處的土樣，用烘干法測量質量含水率。

表2 試驗分組

2 試驗結果分析

2.1 毛細水上升高度變化分析

當初始含水率為9%時，對細顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土樣試驗后土體平均含水率增量及毛細水上升高度的變化進行對比分析。

2.1.1 土體含水率與細顆粒含量的變化規律

由圖4可見，土體含水率分布曲線隨著細顆粒含量的增加逐漸向右移動，表現為試驗后土體含水率增量增加，毛細水上升高度增加。這一現象表明土體水分遷移能力與細顆粒含量成正比關系；土體含水率從下到上逐漸減小，即下部土體含水率增量要大于上部土體含水率增量。

圖4 不同細粒含量土體含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of soil moisture content with different fine particle content

2.1.2 土體平均含水率增量及毛細水上升高度與細顆粒含量的變化規律

(1)

Δω=ωu-ωi

(2)

由圖5可知，細顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土體平均含水率增量分別為0.513 7%、0.744 7%、0.877 6%、0.991 6%；毛細水上升高度分別為24、32、36、40 cm。從圖4可見，土體平均含水率增量及毛細水上升高度隨著細顆粒含量的增加而線性增加。原因可能是：隨著細顆粒物含量的增加，土體活性比表面積增大，導致土中水所受的束縛能增大，以及土水勢減小(負壓增大)從而遷移動力增大；隨著細顆含量的增加，土體的平均毛細孔徑減小。

毛細水上升高度經驗公式為

(3)

式(3)中：H為毛細水上升高度；σ為表面張力系數；β為接觸角；γ為毛管半徑；ρ為水的密度；g為重力加速度。

水分遷移對土體的力學性能長期發生顯著的改變，其中毛細屏障對毛細水上升和滲流起著主要作用，降低土中的水分遷移運動[13]。由此可知，土體孔隙半徑越大毛細水上升高度越大，原因是較大且不連通的孔隙不易形成了水分遷移的通道。根據《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)[14]及地勘報告，結合試驗所得結果，經計算各土樣路堤填土最小高度均不大于1.5 m，因此建議細顆粒含量小于22%的路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

2.1.3 試驗后土體含水率變化規律云圖

圖6可較為直觀地觀察到土體含水率隨著細顆粒含量增加而增加，且隨著土體高度的增加而減小；還可以直觀地觀察到土體含水率增量及毛細水上升高度隨細顆粒含量的變化規律。

圖與細顆粒含量變化曲線Fig.5 Change curve of H and fine particle content

圖6 試驗后不同細顆粒含量土體含水率分布云圖Fig.6 Cloud chart of moisture content distribution of soil with different fine particle content after test

2.2 總入流量及入流通量變化分析

2.2.1 細顆粒含量的影響

當初始含水率為9%時，對細顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土體的總入流量及入流通量隨時間變化規律進行對比分析。

(1) 時間對土體總入流量的影響。土體總入流量(Q)為單位面積上外界水的累積補給量，其表達式為

(4)

式(4)中：Qt為外界水累積補給量，mL；A為土柱橫截面面積，cm2。

由圖7可知，土體總入流量變化曲線逐漸上移，表現為拱形，斜率逐漸減小，隨著細顆粒含量的增加，表現為土體總入流量隨著細顆粒含量的增加而增加。對細顆粒含量分別為13%、16%、19%、22%的土樣的總入流量隨時間變化曲線進行擬合，并對擬合方程求其試驗時間的導數，所得方程即為入流通量與時間的變化關系方程，其結果如表3所示。

圖7 不同細顆粒含量土樣總入流量隨時間變化曲線Fig.7 Variation curve of total inflow rate of soil samples with different fine particle content with time

從表3可以看出，不同細顆粒含量的土樣總入流量隨時間的變化曲線均可用冪函數Q=At0.5+B表示，且相關系數均在0.98以上，進一步對A、B與細顆粒含量(X)進行回歸分析，得到A、B與細顆粒含量(X)的關系式為

A=1.196X-417，R2=0.984 8

(5)

B=-2.015X+17.028，R2=0.969 8

(6)

(2)時間對土體入流通量的影響。入流通量q單位時間通過單位面積的外界水補給量，其表達式為

(7)

式(7)中：q為入流通量，cm/h；Q為總入流量，mL/cm2；t為試驗時間，h。

從圖8可知，入流通量隨時間的變化在試驗開始時最大，之后減小；入流通量在試驗前期迅速下降，后期緩慢下降，即入流通量在短時間內衰減迅速[15]；隨著細顆粒含量的增加，入流通量變化曲線逐漸上移，表現入流通量隨著細顆粒含量的增加而增加。

對各土樣的總入流量與時間的變化曲線進行擬合，并求其試驗時間(t)的導數，得到入流通量(q)與時間(t)的變化關系方程，如表4所示。

(3)土體在與凍結完成相同時間(t)時的總入流量及入流通量隨細顆粒含量變化規律。

圖9中，分別對不同細顆粒含量土體在60、132、

表3 土體總入流量與試驗時間擬合公式

圖8 不同細粒含量土樣入流通量隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of inflow flux of soil samples with different fine particle content with time

204 h時總入流量(Q)及入流通量(q)隨細顆粒含量(X)的變化曲線進行擬合，結果如表5所示。

由圖9可知，土樣的總入流量及入流通量均隨細顆粒含量的增加線性增加，分析原因：一定細顆粒含量范圍內，隨著細顆粒含量的增加，土樣活性比表面積增大和平均毛細半徑減小，導致土中水所受的束縛能增大及土水勢減小(負壓增大)，水分遷移動力增大[1]。

2.2.2 初始含水率影響

當細顆粒含量(X)為19%、22%時，對不同初始含水率的土體總入流量及入流通量隨時間的變化規律(圖10)進行對比分析。

從圖10可以看出，對于細顆粒含量為19%，當初始含水率為11%和12%時，土樣總入流量隨時間變化曲線表現為“S”形，且有明顯拐點，即入流通量隨時間變化曲線出現峰值點，試驗前期入流通量增加較快，達到峰值后開始緩慢減小；對于細顆粒含量為22%，初始含水率為9%和11%的土樣總入流量隨時間變化曲線表現為拱形，當初始含水率增加到12%時，土樣總入流量隨時間變化表現為“S”形，有明顯拐點，入流通量隨時間變化曲線表現出峰值點。原因是隨著初始含水率的增加，土樣的土水勢減小，吸附水的能力減弱，試驗前期外界水入流出現滯后現象。可以發現，當初始含水率為11%時，細顆粒含量為19%的土樣總入流量隨時間變化曲線表現為“S”形，而細顆粒含量為22%的土樣卻表現為拱形，說明土樣總入流量隨時間變化曲線隨著細顆粒含量的增加，土樣同樣出現滯后現象。原因是隨著細顆粒含量的增加，土樣比表面積增大，吸附水能力增強，土水勢減小，試驗前期外界水入流出現滯后現象。

表4 土體入流通量計算公式

圖9 土體總入流量及入流通量與細顆粒含量的變化曲線Fig.9 Variation curve of total inflow and inflow flux and fine particle content of soil

表5 土體總入流量及入流通量與細顆粒含量擬合公式

圖10 土體總入流量和入流通量隨時間變化曲線Fig.10 Variation curve of total inflow and soil inflow flux with time

對圖10(a)中各土樣在60、132、204 h時的總入流量隨時間變化曲線進行擬合，并對擬合方程求其試驗時間(t)的導數，得入流通量(q)與時間(t)的變化關系方程，如表6所示。

土體在與一次凍結完成相同時間(t=60 h)，二次凍結完成相同時間(t=132 h)，3次凍結完成相同時間(t=204 h)時的總入流量及入流通量隨初始含水率的變化曲線。

如圖11所示，土樣總入流量及入流通量與初始含水率成反比關系。原因是隨著初始含水率的增加，土樣土水勢增大(負壓減小)，導致水分遷移沒有足夠的遷移動力，故而初始含水率較大的土樣總入流量較小。

圖11 總入流量及入流通量隨時間變化曲線Fig.11 Total inflow and inflow flux curves with time

3 結論

以貢覺至芒康公路改擴建工程為依托，為了獲得路基土在非凍結條件下的入流通量與細顆粒含量、初始含水率等影響因素的變化關系，設計了路基土在非凍結條件下的水分遷移試驗，得出如下結論。

表6 土體總入流量及入流通量與試驗時間的擬合公式

(1)細顆粒含量為13%、16%、19%、22%的土樣毛細水上升高度依次為24、32、36、40 cm；結合毛細水上升高度及最大凍深，建議高山草甸區路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

(2)毛細水上升高度隨著細顆粒含量的增加而線性增加，土體孔隙半徑越大毛細水上升高度也越大，則土體水分遷移能力與細顆粒含量成正比關系。

(3)在一定細顆粒含量范圍內，土體總入流量及入流通量與細顆粒含量正相關；土樣總入流量及入流通量隨初始含水率的增加而減小，土樣總入流量隨時間變化曲線隨著細顆粒含量的增加，土樣出現滯后現象。

(4)在土類等條件一定的情況下，隨著初始含水率增大，土體總入流量及入流通量減小，總入流量隨時間變化曲線由拱形變化為“S”形，入流通量隨時間變化曲線從遞降形變化為峰值形。