土的干密度对水气迁移影响规律的试验研究

王乃东，贾峻峰，姚仰平，王 琳

（北京航空航天大学　交通科学与工程学院，北京 100191）

土的干密度对水气迁移影响规律的试验研究

王乃东，贾峻峰，姚仰平*，王 琳

（北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）

针对冷凝条件下的“锅盖效应”现象，设计了简易的水气迁移试验模拟装置，进行不同干密度的北京地区粉土的水气迁移试验.试验结果表明：不同土体干密度的试验中，均发生了明显的水气迁移导致的土体低温端含水量增大的现象；随着土体干密度的增大，土体中水气迁移的速率随之下降，土体含水量增大的现象被弱化.因此，提高粉质土的干密度，虽不能避免水气迁移的发生，但可作为一项防治“锅盖效应”的有效辅助措施.

锅盖效应；粉土；温度；水气迁移；含水量；干密度

在建筑、机场、广场和公路等工程中，建筑地坪、机场道面、广场和公路路面等覆盖物，似一个“锅盖”覆于地基土上.随着时间的推移，“锅盖”下面会发生水分聚集的现象，造成地基土中含水量的增加，该现象被称为“锅盖效应”［1］.这种效应可能导致地基土的强度降低，引发地表的不均匀沉降，造成一系列工程灾害，如道面开裂、路面翻浆和冬季冻胀等.“锅盖效应”引起的水分集聚，主要源于土体中的水分在温度梯度下的迁移，因此，对土体水分迁移及其变化规律的研究有较重要意义.在早期的文献中，有人在云南蒙自半干旱地区，进行了大面积覆盖现场试验［2］，研究表明：覆盖效应会造成膨胀地基土中的水分向上迁移，但其影响因素主要为液态水的毛细作用.目前土体的水分迁移试验研究，主要包括对液态水和气态水迁移的研究［3-9］，已有试验研究表明：温度梯度，含水量梯度都会对水分的迁移产生明显影响；同时，含水量水平、土体密度梯度［5，7-9］也会影响水分的迁移.但基于“锅盖效应”条件下的土体水分迁移的试验研究较少，本文拟研究“锅盖效应”条件下，土体的干密度对水气迁移规律的影响.

1　试验介绍

1.1试验原理

“锅盖效应”引起的水分聚集的一个主要因素为水气冷凝，即水汽遇冷凝结为液态水.TETENS提出了水的饱和蒸汽压（uv，sat）与温度（T）的关系［10］：

非饱和土是由气体、液体与固体组成的多相体系.非饱和土中冷凝过程的发生与土壤的温度和孔隙气蒸汽压密切相关.在孔隙气蒸汽压不变的情况下，降低温度，会使孔隙气蒸汽压饱和，从而发生冷凝.

当孔隙气中水汽遇冷凝结为液态水时，会出现土体局部气压的降低，周围部分土体中的水汽会迁移并补充到冷凝区域，该过程不断重复，直至达到某种程度的平衡，最终使得冷凝区域的土体含水量显著增大.

1.2试验装置

水气迁移的简易试验装置由上部制冷器和下部土体室组成，土体试样内径18 cm，高100 cm，见图1.制冷器内放置冰水混合物，保持温度为0℃.

1.3试验土样

试验土样为北京地区粉土，土颗粒比重2.6，土样的颗粒组成和液塑限参数分别见表1和表2.

将准备好的土样装在土体室中，每隔5 cm分层压实，以控制压实干密度.受试验仪器和压实条件的限制，土体装样的干密度界限为1.2～1.6 g·cm-3.

图1　简易试验装置Fig.1 Simple test apparatus

表1　土样的粒径组成Table 1 Particles of the soil sample

表2　土样的液塑限参数Table 2 The liquid and plastic limit of the soil sample

1.4试验方法

应用水气迁移的简易试验装置，针对土的干密度对水气迁移规律的影响，共开展了5组试验研究.5组试验分别记为1#、2#、3#、4#和5#，其土样的初始含水量分别为12.18%、12.47%、12.08%、12.19%和12.42%，试验土样的干密度依次为1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3、1.4 g·cm-3、1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3.

在室温条件下，制冷器与土体试样紧密接触并密封.已有的相关试验研究中［7］，多以7 d作为1个试验周期，由此本研究也采用7 d作为试验周期.试验7 d后，分别在2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm和100 cm深度位置，取土体的中心土样，测定质量含水量得到试验结果.

2　试验结果与分析

试验完成后，干密度1.2 g·cm-3、1.3 g· cm-3、1.4 g·cm-3、1.5 g·cm-3和1.6 g·cm-3的土样沿深度的含水量分布曲线分别见图2（a）、（b）、（c）、（d）和（e）.

图2　不同干密度的土样含水量分布曲线Fig.2 Distributions of water content with different dry density for soils

由图2所示的试验结果可知，不同干密度的土样中，在接触制冷器的土体区域，约0～10 cm的深度范围内，均发生了土体含水量显著增大的现象；而在土体10～100 cm的深度范围内，土体的总体含水量出现了下降的现象.因此，各组试验的土体中发生了水的由下向上迁移，即水向低温端迁移的现象，符合“锅盖效应”导致的覆盖层下土体含水量增大的规律.

由于试验土体的初始含水量均约12%，含水量一致，因此，在土体中不存在毛细作用引起的液态水的迁移，也就是说，试验中土体含水量的变化，是气态水迁移并冷凝引起的.

以深度2 cm的土体含水量为分析对象，1#试验的含水量增大了2.69%，2#、3#、4#和5#试验的含水量分别增大了2.03%、1.84%、1.43%和0.89%，可见，经7 d试验时间，在低温端土体含水量增大的程度逐渐减小，即土体中向低温区域的水气迁移量逐渐减少.

针对上述试验规律，分析其原因应为：随着土体干密度越大，土体孔隙比也就越小.而土体中水气是通过土颗粒之间的孔隙通道进行迁移的.当土体孔隙比变小时，孔隙通道变小变窄，在相同试验条件下，水气的迁移量也就随之减少.可见，提高粉质土的干密度，虽然不能避免水气迁移的发生，但能减缓水气迁移的速率，弱化“锅盖效应”引起的含水量增大的现象.

3　结 论

本文针对冷凝条件下的“锅盖效应”现象，试验研究了粉土干密度对土体中水气迁移规律的影响，得到结论如下：

（1）针对不同的土体干密度，冷凝条件下“锅盖效应”的试验，均发生了显著的土体含水量增大现象；

（2）干密度不同，即土体孔隙比的改变，会显著影响土体水气迁移的速率或进程，随着土体干密度的增大，在相同试验时间内，“锅盖效应”冷凝条件下的水分迁移量逐渐减少；

（3）仅提高土体干密度，不能避免水气迁移的发生，但能够减缓或弱化冷凝条件下的水气迁移现象；

因此，提高粉质土的干密度，可作为防治“锅盖效应”的一种辅助措施或处理方法.

［1］ 李强，姚仰平，韩黎明，等.土体的“锅盖效应”［J］.工业建筑，2014，44（2）：69-71. LI Q，YAO Y P，HAN L M，et al.Pot-cover Effect of soil［J］.Ind Constr，2014，44（2）：69-71.

［2］ 陈林.膨胀土地基的覆盖效应［J］.工程勘察，1991（6）：12-17. CHEN L.Cover effect of expansive soil foundation［J］.Geotech Invest Surv，1991（6）：12-17.

［3］ 卢靖.非饱和黄土水分迁移问题的试验研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2006. LU J.Research on the experimentation of moisture movement in unsaturated loess soils［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2006.

［4］ 贺再球.非饱和土气态水迁移规律及其与液态水混合迁移的耦合计算［D］.西安：西安建筑科技大学，2004. HE Z Q.Study of water vapor transfer and coupled calculation of vapor and liquid water in unsaturated soil［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2004.

［5］ 鲁兴社.非饱和黄土气态水与液态水迁移的试验研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2010. LU X S.Unsaturated loess water vapor and liquid water migration study［D］.Xi′an：Xi′an University of Architecture and Technology，2010.

［6］ 李述训，程国栋.冻融土中的水热运输问题［M］.兰州：兰州大学出版社，1995. LI S X，CHENG G D.Water and heat transport in freezing and thawing soil［M］.Lanzhou：Lanzhou University Press，1995.

［7］ 王铁行，贺再球，赵树德，等.非饱和土体气态水迁移试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（18）：3271-3275. WANG T H，HE Z Q，ZHAO S D，et al.Experimental study on vaporous water transference in loess and sandy soil［J］. Chin J Rock Mech Eng，2005，24（18）：3271-3275.

［8］ 王铁行，陆海红.温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨［J］.岩土力学，2004，25（7）：1081-1084. WANG T H，LU H H.Moisture migration in unsaturated loess considering temperature effect［J］.J Rock Soil Mech，2004，25（7）：1081-1084.

［9］ 孙建乐.非饱和土水分迁移试验研究［J］.西部探矿工程，2007，19（7）：36-38. SUN J L.Experimental study on water migration in unsaturated soil［J］.West-China Explor Eng，2007，19（7）：36-38.

［10］TETENS O.Uber einige meteorologische Begriffe［J］.Z Geophys，1930，6：297-309.

【责任编辑：孙向荣】

Influence of dry density in soil to“Pot-cover Effect”

WANG Nai-dong，JIA Jun-feng，YAO Yang-ping，WANG Lin
（School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

To study the“Pot-cover Effect”phenomenon，a simple test and its apparatus are designed.A series of moisture migration test were carried on Beijing soils in different dry density.The test results bear the following findings：the water content mounts up in every moisture migration test on soils in different dry density；when the void ratio of soil reduces，the speed of moisture migration slows down as well.As a result，increasing the dry density of soils can be an effective supplementary approach against the“Pot-cover Effect”phenomenon.

Pot-cover Effect；soils；temperature；moisture migration；water content；dry density

TU 411.91

A

1671-4229（2016）03-0070-03

2015-12-17；

2016-01-28

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2014CB047006）；国家自然科学基金资助项目（51209002）

王乃东（1981-），讲师，博士.E-mail：wangnd@buaa.edu.cn

.E-mail：ypyao@buaa.edu.cn