路基蒸发影响因素显著性模型试验研究

曹得占

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430071)

在温度、风等外界因素作用下，水会发生蒸发作用。土壤中的水分也会在这些因素影响下因蒸发而减少，但是路基土毕竟与原状土有所区别，即较大的压实度和较小的孔隙率，蒸发的因素对路基含水量的变化一般表现在长期缓慢的作用。Thomas等［1，2］采用一维Richard水分运动方程模拟了在气候变化下土体脱湿变干行为。之后Thomas等［3-5］采用非饱和土力学流固耦合理论，分析了土体湿度、变形的季节性变化规律，计算模型中蒸发边界条件均直接取自气象观测所得的潜在蒸发量。卢再华［6］对膨胀土边坡进行了土与大气相互作用的数值模拟;Cui等［7］采用Wilson提出的模型对法国某试验现场非饱和土中的含水率和温度变化进行了数值模拟;陈建斌等［8］重点分析了在气候等外界因素对非饱和土的蒸发量的影响因素;贺再球研究了非饱和土气态水迁移规律及耦合计算公式与液态水的混合迁移情况。

然而在强降雨的条件下短时期内对路基含水量变化将会产生什么样的影响，影响效果到底有多大，与降雨因素相比影响的显著程度究竟如何现有的研究较少。所以，本文通过模型试验验证蒸发作用对路基中含水量动态变化影响的显著性。同时，探求蒸发作用下水分在路基中不同部位的分布规律情况。

1 模型试验

1.1 试验原理

制作一个含水量已知、特定压实度的路基物理模型，将模型放置在一定条件的环境下，只允许土基在边坡处发生蒸发作用，对土基中的含水量按时间间隔进行测量，一段时间后对比此时的含水量与初始含水量的大小，从而验证蒸发作用对土基中含水量变化的显著性。

1.2 试验过程

1)场地清理和模板的建立。清除场地范围内的杂草，挖除草根;表面土清除:表面种植土用铁锨清除，整平，露出鲜土为止;地表填充前碾压，用压实铁饼对地表进行压实;用砖(高20 cm)围成1.5 m×1.2 m的场地，并在砖壁上每10 cm标出分层线。

2)路基的填充和夯实。首先用试验用土在地表撒铺一层约2 cm～3 cm。防止地表干燥对试验数据产生影响。根据之前计算按压实度76%，每层的土用量为310斤(155 kg)，水6.92 kg(共三层465 kg±水20.76 kg)。

3)削坡。对路基横断面进行划分，双车道+路肩，削坡坡度比为1∶1.5，用塑料薄膜把路基模型上面及三周(除边坡外)罩住。制作好的物理模型试验示意图如图1所示。

图1 物理模型试验示意图

1.3 试验数据采集

试验通过模拟西南地区雨季，边坡水分的蒸发对整个路基含水量的影响，试验数据每隔10 h测取，相当于实际情况下每隔3 d测含水量。整个试验阶段共为8 d。每天上午9点，下午16点各测取一次数据，数据采集过程如下:

1)在事先划分好的区域内，利用水分感应器进行测量，注意试验过程感应器一定要垂直路基表面插入，垂直表面拔出，同时避免对路基表面的损坏;

2)待插入后间隔1 min左右读取数据并作相应记录，然后继续下一区域的测量，注意按规定区域测量;

3)边坡测量时，由于边坡的蒸发量大，所以测量宜先插入半针，然后再插入全针。分别量测边坡不同深度的含水量，边坡测量的区域按均匀等分原则可分为8大块，16小块。按相应位置进行量取;

4)数据采集完毕后，进行汇总分析，得出路基内部含水量随时间的变化关系曲线，路基边坡含水量随时间，深度变化的关系曲线。

2 试验结果与分析

各个测区分布位置如图2所示。

图2 测区位置分布图

边坡区含水量变化曲线图如图3所示。

图3 边坡区含水量变化曲线图

从图中可以看出:

1)路基模型上边坡在室温(25℃左右，并存在昼夜温差变化)、一级～二级风速、无降水补充、路基压实度为77%等条件下经过4 d的蒸发作用含水量降低3.1%;同样，中边坡、下边坡在相同条件下路基含水量分别降低了3.2%，5.6%。

2)边坡含水量呈整体下降趋势。早期含水量下降较快，后期含水量下降速度逐渐降低，并最后趋于稳定。

3)由于边坡是路基模型直接受蒸发作用的区域，蒸发作用较为显著;但随着表面土基中水分的蒸发流失，表面与空气直接接触的水分减少，所以边坡含水量蒸发速度呈现出先快后慢、最后趋于稳定的特点。

土基模型中含水量在蒸发作用下随时间变化规律及一定时间后在空间上的分布规律如图4，图5所示。

图4 含水量随时间的变化规律

从图4和图5中可以看出，路基模型一区、二区、三区范围在室温(25℃左右，并存在昼夜温差变化)、一级～二级风速、无降水补充、路基压实度为77%等条件下经过4 d的蒸发作用含水量降低约1%;路基含水量总体呈先降低、后逐渐稳定的变化趋势，含水量的降低主要发生在前3次的测量中。边坡含水量发生变化，但是变化量较少，在空间上分布范围也较小，由于试验考虑的是雨季的变化情况，4 d(对应于实际中10 d左右)的含水量一般会有降水的补充，所以，从试验结果可以看出，路基中含水量在雨季受蒸发作用影响较小。

图5 含水量在空间上的分布规律

3 结语

路基模型上边坡在室温(25℃左右，并存在昼夜温差变化)、一级～二级风速、无降水补充、路基压实度为77%等条件下经过4 d的蒸发作用含水量降低3.1%;同样，中边坡、下边坡在相同条件下路基含水量分别降低了3.2%，5.6%。边坡含水量呈整体下降趋势。早期含水量下降较快，后期含水量下降速度逐渐降低，并最后趋于稳定。路基模型一区、二区、三区范围在室温(25℃左右，并存在昼夜温差变化)、一级～二级风速、无降水补充、路基压实度为77%等条件下经过4 d的蒸发作用含水量降低约1%，路基中含水量在雨季受蒸发作用影响较小。

［1］刘祖典.黄土力学与工程［M］.西安:陕西科学技术出版社，1996.

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