水分迁移对高山草甸区非冻结路基土的影响

孟屯良， 魏 进， 吴冠庆， 黄 璜

(1.中交通力建设股份有限公司， 西安 710075； 2.长安大学公路学院， 西安 710064)

在中国，季节性冻土面积约513.7×104km2[1]。青藏高原地区分布着大量的长年冻土和季节性冻土，属于典型的高山草甸区，道路冻胀翻浆等病害大量发生。冻胀翻浆的主要原因是水分迁移。目前冻土(包括正冻土和已冻土)中的水分迁移，已被视为土冻结作用中的核心问题之一，受到世界上许多国家的重视。据不完全统计，除中国外，目前开展这类研究的主要有美国、俄罗斯、加拿大等国家[2]。道路冻害是影响这些地区经济发展的主要问题之一。

关于水分迁移在冻土中的影响。李杨等[3]研究了东北地区水分迁移对季冻土的冻融影响。Taber[4]通过对圆柱形黏土试样进行冻结试验研究，发现冷却表面水分迁移现象比较明显。Iwata[5]研究了冻结黏土中水分迁移的驱动力，并分两部分进行研究：一是冻土段内水分迁移驱动力，通过理论推导确定了温度梯度是冻土段内水分迁移的主要驱动力；二是水分从未冻土段到冻土段的迁移驱动力，发现未冻土段到冻土段水分迁移驱动力主要取决于冻结前缘相接处的未冻部分水的过冷温度。高玉佳等[6]研究了温度对季节性冻土水分迁移特征的影响，结果表明地表温度降低导致土中温度梯度增加，促进了季节性冻土中的水分迁移过程。秦爱芳等[7]对上海特有黏土进行冻胀特性及水分迁移试验研究，利用CT扫描技术分析了冻结试验后土样的水分迁移情况，得出各土样冷端含水率大于自由端，并对冻结后土体含水率与土体冻胀率及冻胀力之间的关系进行了分析。王英浩等[8]对内蒙古河套灌区一个冻融周期内不同深度的温度和含水量进行现场测试，分析温度对水分迁移规律，得出渠道边坡中上部水分迁移量比下部小。曹成等[9]研究了土体在不同性状下水分迁移的现象。Haverkamp等[10]研究了土体非饱和带和渗流带的水分迁移，提出了土体物理性质和水分特征相关的非饱和土体水流方面的概念，表明土体的水力特性有不同功能特性，并解决了在不同的水力特性、预测方法及测量范围下土体的水力特性。

产生冻胀、翻浆病害的重要原因为水分迁移。从以往研究来看，对高山草甸区非冻结路基土的水分迁移研究较少。现以贡觉至芒康公路改扩建工程为依托，该段所处地区海拔高度在4 000～4 600 m，属于典型的高山草甸区。该段全线冻胀翻浆病害段落244段，影响路线长达27 567 m，尤其是细粒土含量较多地段冻胀、翻浆较为严重。为了获得路基土在非冻结条件下的入流通量与细颗粒含量、初始含水率等影响因素的变化关系，设计了路基土在非冻结条件下的水分迁移试验。相应的研究成果可以帮助人们在高山草甸区中，明晰水分在非冻结路基填土中的迁移规律。从而控制路基土的填筑最小高度的范围，同时采取相应的措施防止路基土的冻胀、翻浆等病害的发生。

1 非冻结路基土水分迁移试验

毛管力和土粒表面的吸附力是土中毛细管产生的，其引起的吸持水分的能力为基质势[11]。为了在消除基质势对入流通量影响的前提条件下建立与细颗粒含量、冻融历史等影响因素有关的迁移势模型，设计了路基土在非冻结条件下的水分迁移试验。根据冯宝平等[12]的研究成果，当室内温度大于15 ℃，且温差小于10 ℃时，温度的变化对水分运动的影响可忽略。因此在非冻结路基土水分迁移试验中，不考虑室内温度的影响。

1.1 试验用土

为研究细颗粒含量对非冻结路基土水分迁移能力的影响，试验设计了四组级配良好的不同细颗粒含量土样，分别为13%、16%、19%、22%的土样。土样粒径级配结果如表1所示，级配曲线如图1所示。

1.2 试验仪器

试验所采用的非冻结路基土水分迁移装置整体结构示意图及实物图如图2、图3所示。

1.3 试验方案

1.3.1 试验设计

为研究单一变量细颗粒含量、初始含水率对非冻结路基土的总入流量及入流通量的影响，通过控制变量的方法进行试验设计：①相同初始含水率，不同细颗粒含量的土样进行路基土水分迁移试验；②相同细颗粒含量，不同初始含水率的土样进行路基土水分迁移试验。具体试验设计如表2所示。

1.3.2 试验方法及步骤

(1)土样制备：①对现场土样进行风干、筛分、分组、标号；②按照表1试验用土颗粒级配配制土样，取两组一定量土测定风干含水率。配制试验所需含水率的土样，将水均匀喷洒于土样上，充分拌匀后装入密封的塑料袋内，再放入保湿器内进行闷料，湿润一昼夜。

表1 试验土样颗粒级配设计

图1 粒径级配曲线Fig.1 Grain size gradation curve

1为计算机；2为水分传感器采集系统；3为土样筒；4为水分传感器；5为顶板；6为排气孔；7为橡胶管；8为马里奥特瓶；9为进水孔；10为水槽；11为塑料膜；12为土样图2 水分迁移装置Fig.2 Moisture movement device

图3 试验装置实物图Fig.3 Physical figure of test device

(2)试验步骤：①按照要求的干密度分层(每层5 cm)装入土样。根据土样筒的容积、干密度、含水率计算每层土样所需的湿土质量，将土样击实至450 mm处；②把土样筒顶端密封，在玻璃圆板上钻取直径2 mm的排气孔；③在试验筒侧壁的小孔中插入水分传感器；④将土样筒放进水槽内静置一夜；⑤第2天用橡胶管连接水槽与马氏瓶，往水槽内加水至土柱底端上部3 cm处，打开马氏瓶，根据马氏瓶中玻璃管内水面的位置，调节玻璃管内水面位置，使其与玻璃管下管口在同一水平面上，并密封水槽；⑥连接水分传感器与采集卡，在计算机上设置每隔十分钟采集一次；⑦试验结束后，取两组不同高度处的土样，用烘干法测量质量含水率。

表2 试验分组

2 试验结果分析

2.1 毛细水上升高度变化分析

当初始含水率为9%时，对细颗粒含量为13%、16%、19%、22%的土样试验后土体平均含水率增量及毛细水上升高度的变化进行对比分析。

2.1.1 土体含水率与细颗粒含量的变化规律

由图4可见，土体含水率分布曲线随着细颗粒含量的增加逐渐向右移动，表现为试验后土体含水率增量增加，毛细水上升高度增加。这一现象表明土体水分迁移能力与细颗粒含量成正比关系；土体含水率从下到上逐渐减小，即下部土体含水率增量要大于上部土体含水率增量。

图4 不同细粒含量土体含水率变化曲线Fig.4 Variation curve of soil moisture content with different fine particle content

2.1.2 土体平均含水率增量及毛细水上升高度与细颗粒含量的变化规律

(1)

Δω=ωu-ωi

(2)

由图5可知，细颗粒含量为13%、16%、19%、22%的土体平均含水率增量分别为0.513 7%、0.744 7%、0.877 6%、0.991 6%；毛细水上升高度分别为24、32、36、40 cm。从图4可见，土体平均含水率增量及毛细水上升高度随着细颗粒含量的增加而线性增加。原因可能是：随着细颗粒物含量的增加，土体活性比表面积增大，导致土中水所受的束缚能增大，以及土水势减小(负压增大)从而迁移动力增大；随着细颗含量的增加，土体的平均毛细孔径减小。

毛细水上升高度经验公式为

(3)

式(3)中：H为毛细水上升高度；σ为表面张力系数；β为接触角；γ为毛管半径；ρ为水的密度；g为重力加速度。

水分迁移对土体的力学性能长期发生显著的改变，其中毛细屏障对毛细水上升和渗流起着主要作用，降低土中的水分迁移运动[13]。由此可知，土体孔隙半径越大毛细水上升高度越大，原因是较大且不连通的孔隙不易形成了水分迁移的通道。根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[14]及地勘报告，结合试验所得结果，经计算各土样路堤填土最小高度均不大于1.5 m，因此建议细颗粒含量小于22%的路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

2.1.3 试验后土体含水率变化规律云图

图6可较为直观地观察到土体含水率随着细颗粒含量增加而增加，且随着土体高度的增加而减小；还可以直观地观察到土体含水率增量及毛细水上升高度随细颗粒含量的变化规律。

图与细颗粒含量变化曲线Fig.5 Change curve of H and fine particle content

图6 试验后不同细颗粒含量土体含水率分布云图Fig.6 Cloud chart of moisture content distribution of soil with different fine particle content after test

2.2 总入流量及入流通量变化分析

2.2.1 细颗粒含量的影响

当初始含水率为9%时，对细颗粒含量为13%、16%、19%、22%的土体的总入流量及入流通量随时间变化规律进行对比分析。

(1) 时间对土体总入流量的影响。土体总入流量(Q)为单位面积上外界水的累积补给量，其表达式为

(4)

式(4)中：Qt为外界水累积补给量，mL；A为土柱横截面面积，cm2。

由图7可知，土体总入流量变化曲线逐渐上移，表现为拱形，斜率逐渐减小，随着细颗粒含量的增加，表现为土体总入流量随着细颗粒含量的增加而增加。对细颗粒含量分别为13%、16%、19%、22%的土样的总入流量随时间变化曲线进行拟合，并对拟合方程求其试验时间的导数，所得方程即为入流通量与时间的变化关系方程，其结果如表3所示。

图7 不同细颗粒含量土样总入流量随时间变化曲线Fig.7 Variation curve of total inflow rate of soil samples with different fine particle content with time

从表3可以看出，不同细颗粒含量的土样总入流量随时间的变化曲线均可用幂函数Q=At0.5+B表示，且相关系数均在0.98以上，进一步对A、B与细颗粒含量(X)进行回归分析，得到A、B与细颗粒含量(X)的关系式为

A=1.196X-417，R2=0.984 8

(5)

B=-2.015X+17.028，R2=0.969 8

(6)

(2)时间对土体入流通量的影响。入流通量q单位时间通过单位面积的外界水补给量，其表达式为

(7)

式(7)中：q为入流通量，cm/h；Q为总入流量，mL/cm2；t为试验时间，h。

从图8可知，入流通量随时间的变化在试验开始时最大，之后减小；入流通量在试验前期迅速下降，后期缓慢下降，即入流通量在短时间内衰减迅速[15]；随着细颗粒含量的增加，入流通量变化曲线逐渐上移，表现入流通量随着细颗粒含量的增加而增加。

对各土样的总入流量与时间的变化曲线进行拟合，并求其试验时间(t)的导数，得到入流通量(q)与时间(t)的变化关系方程，如表4所示。

(3)土体在与冻结完成相同时间(t)时的总入流量及入流通量随细颗粒含量变化规律。

图9中，分别对不同细颗粒含量土体在60、132、

表3 土体总入流量与试验时间拟合公式

图8 不同细粒含量土样入流通量随时间变化曲线Fig.8 Variation curve of inflow flux of soil samples with different fine particle content with time

204 h时总入流量(Q)及入流通量(q)随细颗粒含量(X)的变化曲线进行拟合，结果如表5所示。

由图9可知，土样的总入流量及入流通量均随细颗粒含量的增加线性增加，分析原因：一定细颗粒含量范围内，随着细颗粒含量的增加，土样活性比表面积增大和平均毛细半径减小，导致土中水所受的束缚能增大及土水势减小(负压增大)，水分迁移动力增大[1]。

2.2.2 初始含水率影响

当细颗粒含量(X)为19%、22%时，对不同初始含水率的土体总入流量及入流通量随时间的变化规律(图10)进行对比分析。

从图10可以看出，对于细颗粒含量为19%，当初始含水率为11%和12%时，土样总入流量随时间变化曲线表现为“S”形，且有明显拐点，即入流通量随时间变化曲线出现峰值点，试验前期入流通量增加较快，达到峰值后开始缓慢减小；对于细颗粒含量为22%，初始含水率为9%和11%的土样总入流量随时间变化曲线表现为拱形，当初始含水率增加到12%时，土样总入流量随时间变化表现为“S”形，有明显拐点，入流通量随时间变化曲线表现出峰值点。原因是随着初始含水率的增加，土样的土水势减小，吸附水的能力减弱，试验前期外界水入流出现滞后现象。可以发现，当初始含水率为11%时，细颗粒含量为19%的土样总入流量随时间变化曲线表现为“S”形，而细颗粒含量为22%的土样却表现为拱形，说明土样总入流量随时间变化曲线随着细颗粒含量的增加，土样同样出现滞后现象。原因是随着细颗粒含量的增加，土样比表面积增大，吸附水能力增强，土水势减小，试验前期外界水入流出现滞后现象。

表4 土体入流通量计算公式

图9 土体总入流量及入流通量与细颗粒含量的变化曲线Fig.9 Variation curve of total inflow and inflow flux and fine particle content of soil

表5 土体总入流量及入流通量与细颗粒含量拟合公式

图10 土体总入流量和入流通量随时间变化曲线Fig.10 Variation curve of total inflow and soil inflow flux with time

对图10(a)中各土样在60、132、204 h时的总入流量随时间变化曲线进行拟合，并对拟合方程求其试验时间(t)的导数，得入流通量(q)与时间(t)的变化关系方程，如表6所示。

土体在与一次冻结完成相同时间(t=60 h)，二次冻结完成相同时间(t=132 h)，3次冻结完成相同时间(t=204 h)时的总入流量及入流通量随初始含水率的变化曲线。

如图11所示，土样总入流量及入流通量与初始含水率成反比关系。原因是随着初始含水率的增加，土样土水势增大(负压减小)，导致水分迁移没有足够的迁移动力，故而初始含水率较大的土样总入流量较小。

图11 总入流量及入流通量随时间变化曲线Fig.11 Total inflow and inflow flux curves with time

3 结论

以贡觉至芒康公路改扩建工程为依托，为了获得路基土在非冻结条件下的入流通量与细颗粒含量、初始含水率等影响因素的变化关系，设计了路基土在非冻结条件下的水分迁移试验，得出如下结论。

表6 土体总入流量及入流通量与试验时间的拟合公式

(1)细颗粒含量为13%、16%、19%、22%的土样毛细水上升高度依次为24、32、36、40 cm；结合毛细水上升高度及最大冻深，建议高山草甸区路堤填土最小高度控制在1.5 m以上。

(2)毛细水上升高度随着细颗粒含量的增加而线性增加，土体孔隙半径越大毛细水上升高度也越大，则土体水分迁移能力与细颗粒含量成正比关系。

(3)在一定细颗粒含量范围内，土体总入流量及入流通量与细颗粒含量正相关；土样总入流量及入流通量随初始含水率的增加而减小，土样总入流量随时间变化曲线随着细颗粒含量的增加，土样出现滞后现象。

(4)在土类等条件一定的情况下，随着初始含水率增大，土体总入流量及入流通量减小，总入流量随时间变化曲线由拱形变化为“S”形，入流通量随时间变化曲线从递降形变化为峰值形。