增湿重塑非饱和黄土时水-热运移规律研究

李仁杰，王 旭，张延杰，李建东, ，李泽源，任军楠

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃兰州 730070)

在黄土地区，工程项目多修筑于浅层黄土之上或以黄土环境为介质。自然界中的浅层黄土是典型的多孔介质，其大孔发育，具有各向异性。在大气环境的循环作用下，孔隙间温度和气态水的迁移存在弥散效应，在工农业生产的多个领域广泛存在，有多学科交叉的特点[1-4]。例如：青藏线上的热棒技术、水库堤坝渗漏、地热源和油气田开采时土体中温度场和水分场的变化[5-6]、蒸发和降雨循环作用下边坡土体中热量和水分的动态变化[7]、核工业废料处理时对周围土层水分和温度平衡的扰动、农学和土壤学中植物根系对水分和养分的吸收、冻土工程中的水-热-力多场耦合问题等[8-10]。早在1915年，Bouyoucos[11]就开始了温度梯度对土体中水蒸气运移影响的研究。到了20世纪80 年代中后期，随着试验量测技术的发展和计算机的广泛应用，非饱和土的研究空前活跃，Wang等[12]利用不同密度和初始含水率的非饱和黄土试样进行试验，发现温度梯度将引起水蒸气运移梯度。张仁义等[13]根据非饱和渗流理论，研究了非饱和黄土包气带中水分的分布形式，得出了干旱黄土地区水分分布的理论规律。王铁行等[14-15]提出了蒸汽增湿新方法，并发现蒸汽增湿后土样水分均匀性较好。

目前在岩土工程领域，对黄土增湿的方法主要有预湿法和掩埋法，但这两种方法优缺点突出，在实际工程中难以大规模推广和应用[16-18]。水蒸气增湿法作为黄土增湿的新技术与新方法，具有原理简单、所需时间短、均匀性好、增湿的黄土土性相同等诸多优点。然而，国内外学者对非饱和黄土中水蒸气的吸附和运移规律的认识还不太明确，围绕该课题开展的水蒸气增湿黄土的研究较少，本文用高温高压（压力可调）水蒸气增湿非饱和黄土，研究蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度共同作用下的非饱和黄土中水-热运移规律，为水蒸气这种特殊气体增湿黄土的新技术和新方法提供理论支持。

1 模型试验概况

本试验用土为兰州黄土，属于上更新世风积黄土，大孔发育，呈黄褐色，其基本物理参数见表1。把土样通过5 mm筛孔筛分，然后摊铺在室外风干，等土中含水率减小后拌合均匀，取6组土样测初始含水率。由于天然黄土含水率一般为6%～9%，根据配置含水率计算需加水量，用喷雾器边喷水边拌和，拌和均匀后将土体用塑料膜覆盖3 d，确保土体含水率均匀，使其含水率接近天然含水率。

表 1 基本物理指标Tab. 1 Indexes of loess properties

试验设备主要有：水蒸气发生器、高温高压蒸汽调压阀、温度传感器、蒸汽扩散球和直径2 m、高2 m的3层钢桶（本次试验分两层来填筑模型，高为1.2 m）。水蒸气发生器输出的蒸汽温度为145 ℃，通过调压阀将蒸汽压控制为0.1 MPa。

土层填筑和温度传感器布置如图1所示，土体共分9层填筑，每层间距10 cm，压实度为0.88。温度传感器共分5层埋填，每层间距18 cm，用于测量增湿过程中不同时间、不同位置处土体温度。

温度传感器在每层土体平面布置如图2所示。在每层平面中每条半径布置3个温度传感器（间距18 cm），并在每一层圆心处设置1个温度传感器，每层共计19个。

图 1 测试元件布置（单位: cm）Fig. 1 Testing elements layout chart (unit: cm)

含水率取样点平面布置如图3所示。

在试验结束后，利用烘干法取样测试该点的液态水和气态水迁移总量，每层平面每条半径线上取4个含水率取样点（距离20 cm），每层圆心处设置1个含水率取样点，每层共计取37个试样， 共取9层，用以研究水蒸气在土体中的运移规律。

图 2 温度传感器布置Fig. 2 Temperature sensors layout

图 3 含水率取样点布置Fig. 3 Layout of water content sampling points

2 试验结果分析

2.1 温度场结果及分析

温度传感器布置情况如图2所示。各层土体中心布置的温度传感器监测到的温度随时间变化规律见图4。从图4可以看出，在试验刚开始不久，距离通气点处0和18 cm处的温度快速上升并达到最大，此后一直在最大值左右波动。这表明在以通气点为球心，R=18 cm球体范围内，在蒸汽压作用下，水蒸气扩散速率非常快。通气25 min后，18 cm处温度稳定在100 ℃，再经过30 min，36 cm处的温度开始变化。计算可得，蒸汽温度在穿透0～36 cm土体时的传导速度为0.655 cm/min；同理可得，在36～54 cm土体中蒸汽温度传导速率为0.30 cm/min。可以看出，随着压力消散，水蒸气在运移的过程中受到土体的阻碍，流动速度减慢。最后，距离通气点72 cm处的温度在整个试验过程中几乎没有发生变化，54～72 cm间土体的温度变化量较小，说明运移到该土层内的水蒸气十分少，温度变化是由热传导引起的。

图5为通气点所在平面内等温线形状发生较明显变化时刻的温度分布。由于温度沿径向的运移速率较慢，温度数据每隔30 min采集1次。从图5可以看出，在增湿的最初阶段，整个平面内温差较小，仅在距通气点20 cm的范围内温度上升。随着增湿时间延长，增湿范围进一步扩大，中心区范围内的温度得以快速上升。

图 4 通气点正上方各测点温度变化Fig. 4 Temperature change diagram of measuring points right above the ventilation point

图 5 通气点所在平面温度迁移(单位：℃)Fig. 5 Temperature transfer diagram of the ventilation point plane (unit: ℃)

2.2 水分场结果及分析

图6为试验6.5 h后含水率沿径向变化曲线。从图6可见，每一层土体含水率都随径向距离的增大而减小。各层土体在距离通气点0～60 cm径向范围内，含水率快速增加，从初始7.04%增湿到16.50%，接近最优含水率17.80%。而在1，2层土体中距离圆心70和80 cm处的含水率在7.13%～7.68%间变化，接近土体初始含水率7.08%，说明该范围内的土体几乎未受到水蒸气增湿影响，可知该工况下水蒸气的竖向有效增湿半径为70 cm。此外，在水平方向，3～9层土体中距离通气点80 cm处土体含水率仍大于土体初始含水率，而80～100 cm范围内土体含水率接近初始含水率，同理可判定该工况下水蒸气沿水平方向的有效增湿半径为80 cm，略大于竖向增湿半径，与土体中水平向渗透系数大于垂直方向渗透系数的规律相一致。此外，距离通气点竖向70 cm、水平向80 cm以外的土体含水率仍稍大于土体初始含水率，主要是由土体含水率梯度引起的。综合上述分析可见，水蒸气在非饱和黄土中的增湿范围接近一个椭球体。

取试验中奇数层平面，对每一土层含水率分布进行研究，如图7所示，含水率在各层分布状况总体相似，等含水率线近似为椭圆形，且在每层的圆心处含水率最大，沿径向逐渐降低，但每层土体的增湿范围和增湿程度各不相同。其中，距通气点较近的土层，其增湿程度和增湿范围较大，反之亦然。

图 6 6.5 h后含水率沿径向变化曲线Fig. 6 Variation curves of moisture content in horizontal direction after 6.5 hours

图 7 奇数层平面内含水率分布Fig. 7 Distribution maps of moisture content in odd number layer planes

此外，从图7(a)中可以看出，在第1层中，只有靠近圆心处含水率较大约为8.00%，在靠近含水率最大处30 cm范围内，其含水率接近初始值，其他区域均低于初始含水率。而从图7(e)中可以看出第9层土体径向距离通气点80 cm处接近初始含水率7.04%，则竖向最大增湿半径为80 cm，所以沿深度方向最大增湿半径略大于1～9层的距离80 cm，其接近径向最大增湿半径，其中第1层土体部分区域含水率低于初始值，其原因是第1层位于表面，土体暴露与大气中，在145 ℃水蒸气加热作用，加速了土体的蒸发，致使其含水率低于初始值。

王铁行等[19]对大量的实测结果进行回归分析，得到根据土体含水量、密度确定导热系数的关系式λ =4.17ω2+1 504×100.25rd−3.9, 其中：λ为导热系数；ω为含水率；rd为干密度。利用该式得到横向和纵向导热系数的变化规律如图8所示。从图8可见，导热系数和含水率息息相关，沿横向和纵向导热系数均随含水率的减小而减小。

在距离通气点0～20 cm和70～80 cm的范围内，土体含水率比较接近，横纵向的导热系数变化曲线几乎重合。而在距离通气点20～70 cm的范围内，纵向含水率总是大于横向含水率，进而纵向导热系数总是大于横向导热系数。横纵向含水率的差值从20 cm处开始增大，40 cm处减小，60 cm处再一次相等，说明在距离通气点0～60 cm范围内以气态水迁移为主，而60 cm范围以外液态水迁移为主。

横纵向含水率分布不一致与横纵向增湿半径不一致的原因相同，均是由水蒸气气压造成的。从上述的分析可以看出，该工况下，蒸汽气压仅对距离通气点0～60 cm的土体产生影响，对60～80 cm范围内的土体没有影响。从图8可以发现，该工况下最大增湿半径为80 cm，说明0～60 cm内土体增湿是由液态水迁移和气态水迁移共同引起的，而70～80 cm内土体增湿是在含水率梯度和温度梯度共同作用下，由液态水迁移造成的。

图 8 横纵方向导热系数变化Fig. 8 Transverse and longitudinal variation diagram of thermal conductivity

3 结 语

（1）水蒸气和温度在非饱和黄土中的扩散范围近似于一个椭球体，沿径向随着水蒸气运移距离增大，蒸汽运移速率减小，含水率和温度迁移速率降低。

（2）当水蒸气气压为0.1 MPa，温度为145 ℃，通气6.5 h时，水蒸气最大增湿半径为80 cm，横向、纵向有效增湿半径分别为60和70 cm。在以通气点为圆心，横向40 cm，纵向50 cm的椭球体内，含水率在12%～17%间变化，增湿效果较好，接近土体的最优含水率。延长通气时间，增湿范围和增湿程度均将增大。

（3）水蒸气增湿黄土过程中，液态水和气态水迁移共存，在有效增湿范围内以气态水迁移为主。随着压力消散，水蒸气迁移速度逐渐减慢，而在不同的范围内，温度传导速率接近一个定值。

（4）水蒸气增湿法作为土体增湿的新技术与新方法，与传统的预湿法和掩埋法相比具有诸多优点，考虑蒸汽气压、蒸汽温度、土体密度和土体含水量的水分迁移参数，定量地描述水-热的扩散范围，联合高能强夯法，在大厚度湿陷性黄土地区地基处理中有广泛的应用前景。