黄土路基压实过程中的水分迁移规律试验研究

王海东

（山西忻阜高速公路建设管理处，山西 五台 035514）

黄土路基受到水的影响较大，黄土的压缩变形、湿陷变形规律，随着水分、温度、热耦合效应发生变化[1]。笔者针对黄土路基压实过程中水分迁移特性进行试验分析，首先从水在土壤中的形态和能态分析入手，进一步分析了黄土的物理特性和水分特征，然后通过试验研究了不同压实度状态下土试样的水分运动参数，并测试了路基断面的含水量分布状态，得出压实度对水分特征的影响规律。

1 土壤水分基本特征

1.1 土壤水体的形态

第一种是吸湿水，由于土壤颗粒比表面积较大，颗粒周围的水汽分子很容易吸附在土颗粒表面，将水分束缚，受吸水系数的控制[2]。第二种叫薄膜水，是由于吸附水的厚度不断增加，形成的一定厚度的水膜。第三种是毛管水，这种水存在于土壤中的细微孔隙中，在表面张力的作用下，弯液面下的液态水需要承受一定的毛管力，天然条件下，毛管力会使水分沿着土壤微小孔隙逐渐上升，也就是毛细作用。第四种称为重力水，当土壤孔隙比较大时，毛细作用变弱，在重力作用下，土壤中的水会发生流动或者下渗。

1.2 土壤水体的能态

土壤水的能量特征主要表现为水势，即土壤中任意两点之间的水的势能之差，水势是土壤水运动的驱动力，水分从高水势向低水势方向流动。水势选取某一特定温度，在标准大气压下，以不含任何杂质的纯自由水作为参考状态。通常所说的某点的土水势就是部位单位体积单元的土壤含有的水分具有的势能大小。所以，通常情况下可以用质量、容积、重量来表示土水势。对于黄土路基而言，在压实过程中，其单位体积的水分含量不断发生变化，因此其土水势也在发展迁移变化，土水势包括重力势、压力势、基质势、溶质势以及温度势等，上述5种分势能之和便是总的土水势。

1.3 土壤水的热力学与动力学特征

与自然界其他物质相比，土壤水特性比较特殊，无论处于什么状态，土壤水都具有一定大小的内能，这种内能和热力学第二定律有着紧密联系。整个土壤水源系统发生变化时能够对外界做功，一种是非体积功，产生各种机械能，另外一种是体积功，是由于土体的体积膨胀或者收缩产生的。土壤水的热能只能从高温状态向低温状态释放和过渡。土壤水的动力学特征主要表现为饱和、流和、非饱和、流中分别具有的重力梯度、压力梯度和基质势梯度提供的驱动力作用，在路基压实过程中，由于外部荷载冲击挤压，对路基内水的迁移运动带来更为复杂的影响作用。

2 水分特征曲线测定

2.1 黄土的特性

2.1.1 物理性质

试验使用的黄土是来自忻阜高速公路K45+000-K46+070段现场土，物理指标主要包括天然含水量、孔隙率、容重、塑限、液限等。根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[3]相关要求和试验方法，结合本研究具体情况，采用烘箱、联合液塑限仪、重型击实试验等方法对黄土的相关指标进行测定，试验结果如表1所示。

表1 黄土的物理特征

2.1.2 颗粒分析

黄土的粒径分布比较特殊，通常以粉土为主，其组成矿物大约有60种，其中轻矿物占了粗矿物的90%以上。黄土中含有不少有机质的持水性强，表面能大，形成土的胶结成分，这些部分遇到水之后，其受力特征会发生较大变化。从颗粒组成角度看，黄土大多数颗粒粒径都小于0.25 mm。主要以粉土和小颗粒土为主，对黄土的颗粒分析结果如图1所示。

图1 各级颗粒分析图

从图1所示颗粒分析结果看，黄土中颗粒小于0.001 mm的占39.94，占了总量的2/5，颗粒粒径小于 0.05 mm的土含量超过了95%，而粒径超过0.25 mm的土体，其比例仅仅占了0.001%，几乎趋于零。也就是说，黄土的颗粒粒径整体相对较小，比表面积大，对水的吸附作用强。因此，土中水体迁移规律比较复杂。

2.2 试验方法

土中水的能量大小一定程度上对土体的性能产生影响，通过试验分析不同压实度下水的能态特性有助于更好地研究水分迁移规律。采用离心机法测定土中水势的大小，其基本原理是利用离心力场测定水势大小。试验时将试样用孔径为2 mm的筛子过筛并风干。然后根据试验设计要求制备5个等级的压实度土样进行试验。根据试样的容重要求分层放入离心管，然后将土体的毛细管用水饱和，放入离心机进行脱水。试验按照不同的巴进行脱水处理，当达到15巴后，将土体烘干，并计算土壤的含水量，进而分析土体的能量特征。土壤的水势根据公式（1）进行计算。

式中：H为水势；n为转速；h为装土量，g；r为离心机的半径。（注：巴为压力单位，英文名称bar，1巴 =1.109 7工程大气压）

2.3 试验结果与分析

采用离心机测定土中水分的特征曲线准确率比较高，但是由于离心机的转速对土壤的容重有影响，一般情况下，离心机的转速越高，土壤的重度越大。因此，为了使5种压实度状态下的土壤时间形成对比便于分析，对5种压实度分别为80%、83%、86%、89%、92%的试样在相同的转速下进行试验，试验结果如图2所示。

图2 各压实度下的水分特征曲线

根据试验结果可知，对于非饱和土而言，随着含水量的变化，基质吸力发生变化的幅度较小，在压实度为80%时，相对含水量小的情况下，基质吸力较大，其工程性能向弱性方向变化，在含水量较高的情况下，基质吸力受含水量变化影响较小，从曲线变化规律可知，在不同压实度条件下，各试样的水分特征曲线规律相似，在基质吸力小于2巴的前半段，曲线较陡，说明对于试验所用的黄土而言，当基质吸力较小时，含水量是影响基质吸力的主要因素。而在曲线后半段，曲线比较平缓，说明当基质吸力较大时，基质吸力受到含水量、干密度以及黏粒含量等因素的综合影响。由此可见，对于天然含水量下的非饱和黄土而言，其工程性质受含水量变化影响较大。

3 水分运动参数试验

3.1 湿润锋湿度与平均速率

在非饱和土中，导水参数主要包括导水率、水分扩散率等[4]。根据试验要求，将风干的土样筛分，然后烘干，去除吸湿水之后，精确称量装入有机玻璃管进行试验。每次试验设置10个重复土柱，4个重复试验对不同压实度的湿润锋湿度与前进速率之间的关系，试验结果如图3所示。

图3 各压实度下的湿润锋湿度与速率关系曲线

从图3所示的试验结果可知，在不同压实度条件下，试样的湿润锋湿度变化速率的规律比较相近，但是，压实度高的情况下，土体试样的变化速率相对较大。从曲线的变化情况看，湿润锋湿度相对较小的情况下，速率变化幅度比较缓，几种不同压实度状态下的速率比较接近，说明当湿润锋湿度较小时，土体受到压实度的影响较小，而当湿润锋湿度较大时，前进速率逐渐拉大，而且随着湿润锋湿度的增大，其间的差距越来越大，通过湿润锋湿度和前进速率的关系得出导水率和扩散率之间的关系。

3.2 导水率与压实度关系

土壤导水率也叫做土壤的渗透能力，导水率和土壤种类、孔隙分布、结构特征、盐分含量、温度和含水量有关。由于路基压实过程中，上部荷载冲击作用会改变土壤的结构、孔隙，而且还会引起土壤中的水分迁移。采用渗透筒试验对土体在不同压实度状态下的导水率试验结果如图4所示。

图4 不同压实度导水率试验结果

从图4所示的试验结果可知，当试样土体的压实度较小时，土体的渗透系数较大，随着压实度的增大，导水率逐渐增加，当压实度达到89%时，其渗透导水率出现轻微下降，此外，随着容积水含量的增加，试样土的导水率逐渐增大，压实度为80%，容积水含量小于0.20时，增幅较小，容积水含量较大时，其导水率增幅较大。然而，随着压实度的增加，其导水率下降幅度十分明显。

3.3 扩散率与压实度关系

采用马氏瓶试验测定不同压实度下的扩散率，试验进行5 min后，记录土柱中湿润锋的前进距离，当湿润锋湿度达到土柱长度的3/4时，取土测定含水量计算土壤水分扩散率，试验结果如图5所示。

图5 不同压实度扩散率试验结果

土的扩散率受到土的种类、水分含量、干容重以及温度的影响，随着压实度增加，结构密实，孔隙变小，导水性能和透水性能降低，其干容重逐渐增大，土颗粒之间接触紧密使得薄膜水之间的连通性增强，扩散率降低，水分运动则更为复杂。当干容重较小时，土体孔隙较大，结构松散，土颗粒之间的薄膜水连通性相对较弱，水分迁移困难，当薄膜水存在的情况下，随着干重度的增加，水分扩散系数逐渐增大。因此，路基填土压实度越大，其强度越高，受到水分的影响就越小。

4 水分分布律分析

4.1 测点布置

为分析路基不同部位和深度的含水量分布规律，通过钻芯取样对坡脚、边坡、路肩、行车道及中央分隔带的含水量变化进行测试，测点布置见图6。

图6 路基含水量分布规律测点布置示意图

4.2 黄土路基水分分布规律

对忻阜高速公路K45+000-K46+070段填土路基各部位含水量测试结果如图7所示。

图7 路基横断面各深度含水量变化曲线

从图7所示结果可知，路基土的含水量大于施工期间的最佳含水量，这就说明外界水分的影响比较大，在降雨的影响下，路肩和路面的水分向边坡排放，边坡和坡脚的含水量增加，在水分渗透和扩散作用下，路基内部的含水量也发生变化。

5 结语

针对黄土路基填土的性能，分析了土中水的形态和能态，并通过试验分析黄土路基在压实过程中的水分能量、水分迁移等特征。结果表明：随着压实度的增大，基质吸力逐渐降低。天然含水量下的非饱和黄土的工程性质受含水量变化的影响较大。土的导水率和扩散率随干容重变化对水分扩散率的影响较为明显，压实度增加，土体结构密实，孔隙变小，土的导水性能和透水性能降低，路基填土压实度越大，强度越高，受水分影响越小。外界水分的影响比较大，由此可知，路基土压实过程中，土的导水率和扩散率逐渐降低，因此，压实度越大，路基受到水分的影响越低，其强度和稳定性越好。