粉黏粒含量对天然砂砾石毛细作用的影响研究

刘杉，张飞龙，夏才园

（长安大学公路学院，陕西　西安　710064）

粉黏粒含量对天然砂砾石毛细作用的影响研究

刘杉，张飞龙，夏才园

（长安大学公路学院，陕西西安710064）

为研究粉黏粒含量对新疆天然砂砾石毛细作用的影响，通过改变粉黏粒含量，对取自新疆S201线某试验段所用路基填料（天然砂砾石）进行室内盐水毛细水上升高度试验，得出了不同粉黏粒含量砂砾石毛细水上升高度分别随时间和砂砾石中粉黏粒含量的变化情况，并通过回归分析得出了毛细水上升高度与砂砾石中粉黏粒含量的关系式。试验结果表明，粉黏粒含量对砂砾石毛细水上升高度有显著影响，毛细水上升高度与砂砾石中粉黏粒含量成对数递增关系，增长速度先快后慢；对新疆天然砂砾石毛细作用增强最大的粉黏粒含量为0～5％。

公路；粉黏粒含量；天然砂砾石；毛细水上升高度

盐胀一直是新疆硫酸盐渍土地区公路工程的主要病害之一。在外界条件变化时，土中粉末状或液态硫酸盐吸水结晶产生体积膨胀是路基盐胀形成的主要原因。造成盐胀的物质基础是土体中硫酸盐的存在及迁移，而毛细水上升是促使盐水向上迁移聚积的主要途径之一。国内外研究证明铺设隔断层以隔断向上迁移的盐分和水分，是防止路基盐胀的有效处理措施。新疆硫酸盐渍土地区砂砾石资源丰富，常被用作路基填料或隔断层。砂砾石路基或隔断层不仅可隔断毛细水上升，而且可增加路基的整体强度，控制或削弱路基的不均匀变形。但经过调查发现，许多采用砂砾石路基或隔断层的公路运营一段时间后也会发生盐胀破坏。取样研究发现砂砾料中存在不同数量的粉质黏土颗粒。为了研究毛细水上升高速与砂砾料中粉黏粒含量之间的关系，该文依托新疆S201线试验段项目，对新疆天然砂砾石进行毛细水上升高度试验，通过改变砂砾石中粉黏粒含量，观测盐水毛细水上升高度的变化，为新疆盐渍土地区公路路基设计、施工控制及病害防治等提供理论与技术参考。

1　竖管法毛细水上升高度试验概况

1.1试验原理

竖管法毛细水上升高度试验原理是基于毛细水作用机理。土是由土颗粒（固相）、水（液相）及气体（气相）三种物质构成的集合体，其中存在许多大小不同、形状各异、随机分布的孔隙，这些孔隙形成水分迁移的通道和水分滞留的场所。固相基质的化学成分、矿物组成、级配、颗粒大小、颗粒形状、排列顺序等决定土体中孔隙的形状、大小、毛细管弯曲度、连通性等空间分布特征，这些也是影响毛细水上升高度的主要因素。可以将土柱概化为具有统计分布规律的平行毛细管束模型，在该模型中，水分的横向分布根据毛细力、重力、吸附力的综合作用按毛细管的统计分布从毛细力较大的小孔隙依次向毛细力较小的大孔隙进行，最终形成小孔隙充水（微观饱和）。土粒与水分子之间产生的吸附力或毛细力使单位重水体产生一种能量，做功后（忽略摩擦损失）转化为等量的重力势能，表现为毛细水上升高度，从而达到竖管法毛细水上升高度试验的效果。

1.2试验准备

试验所用砂砾石取自新疆S201线某试验路所用路基填料，粉质黏土取自西安北郊某基坑，土样呈黄褐色，液限为30.6％，塑限为18.1％，塑性指数为12.5。

取具有代表性的风干砂砾石、粉质黏土，分别配置黏粒含量为0、5％、10％、15％、20％、30％的试样并记为试样1、2、3、4、5、6。配置一定质量的含盐量为5％的盐水。

1.3试验设备

毛细水试验系统由试验架、有机玻璃试验管、马氏瓶、塑料管、钢卷尺及直尺等构成（见图1）。有机玻璃试验管高200 cm，内径20 cm，在距零点1 cm处开一排气小孔，管顶有可以通气的铝盖，底座上配有橡皮垫圈和铜丝网。在有机玻璃管外侧固定有钢卷尺，以便观测毛细水上升高度。

图1　毛细水试验系统

其他试验设备主要用于试验前的准备，包括烘箱、漏斗、天平（感量0.01 g）、振捣棒等。

1.4试验步骤

（1）装好毛细水上升高度试验仪器，垫好底座的垫圈和铜丝网，拧紧有机玻璃试验管，固定管身，使其垂直。

（2）取已配好的试样1，分数次装入有机玻璃管1中，并用振捣棒不断捣实，使其密实度均匀。当试样装至160 cm处时结束装样。依次按试验要求将试样2～6分别装入有机玻璃管2～6中。试样1～ 6高均为160 cm，直径20 cm。

（3）将配制好的含盐量为5％的盐水装入马氏瓶中，用固定在马氏瓶上的直尺控制马氏瓶水面比有机玻璃管零点高出1.0 cm，且使供水水位保持不变。

（4）接通塑料管和有机玻璃管底部的接口，打开排气孔使空气排出，直到孔内有水流出时拧紧螺帽。

（5）从小孔有水排出时计起，经0.5、1、2、5、7、9、11、14、18、22、24 h，以后每隔1 d，根据管中试样的颜色，读取并记录此时毛细水上升高度，直至上升稳定为止，试验结束。

2　试验结果分析

经过42 d试验，得出6个不同粉黏粒含量试样中毛细水上升高度随时间的变化曲线（见图2）及毛细水上升最大高度（见表1）。

图2　不同粉黏粒含量毛细水上升高度随时间变化曲线

表1　不同粉黏粒含量毛细水上升最大高度

从图2可以看出：无论砂砾石中粉黏粒含量多少，毛细水上升趋势基本上是在试验初期上升速度较快，之后逐渐减慢。分析其原因如下：在该试验中，基质势和重力势是引起试件中水分迁移的主要因素，基质吸力作用使水分向上迁移，而试件中水分自重在水分由下向上迁移过程中起相当于反向力的作用，不利于水分向上迁移。在试验初期，毛细水上升高度较小的情况下，基质吸力做功远大于重力势，所以毛细水上升速度较快；随着毛细水上升高度的增加，试样中水分重力势逐渐增大，而基质吸力的作用减弱，毛细水上升速度随之逐渐变慢。当基质吸力与毛细水柱重力势达到平衡时，毛细水不再上升，达到毛细水上升最高点。

从表1可以看出：砂砾石中不含粉黏粒时，毛细水上升高度仅为37.5 cm；砂砾石中粉黏粒含量为5％时，毛细水上升高度为75.4 cm，增加37.9 cm。当砂砾石中粉黏粒含量由5％、10％、15％、20％分别增加至10％、15％、20％、30％时，毛细水上升高度分别增加11.3、8、4.8、7.5 cm。可见，随着砂砾石中粉黏粒含量的增加，毛细水上升高度的增长速度逐渐减缓（见图3）。

图3　毛细水上升高度随砂砾石中粉黏粒含量的变化曲线

由图3可以看出毛细水上升高度与粉黏粒含量呈对数递增关系。经回归分析，得计算公式为：

式中：Y为毛细水上升高度（cm）；X为砂砾石中粉黏粒含量（％）。

毛细水上升高度与粉黏粒含量呈对数增长趋势，进一步证明毛细水上升高度随砂砾石中粉黏粒含量的增加而增大，增长速度先快后慢。分析其原因，当砂砾石中不含粉黏粒时，试样颗粒间的孔隙粗大，毛细作用较弱，因而毛细水上升高度较小。随着砂砾石中粉黏粒含量的增加，试样颗粒间孔隙体积逐渐变小、数量逐渐增加，毛细作用逐渐增强，毛细水上升高速度较快。毛细水的上升速度与试样毛细管的通畅性有关，当砂砾石中粉黏粒含量继续增加时，粉质黏土颗粒吸附的结合水膜厚度增加，减小了试样中孔隙的有效直径，使毛细水上升时受到很大阻力，因而上升速度减缓。当试样颗粒间的孔隙完全被结合水充满时，毛细水也就停止上升了。

3　结论

（1）粉黏粒含量对砂砾石毛细水上升高度有显著影响，毛细水上升高度与砂砾石中粉黏粒含量呈对数递增关系，增长速度呈先快后慢的趋势。

（2）粉黏粒含量由0、5％、10％、15％、20％分别增加到5％、10％、15％、20％、30％时，砂砾石毛细水上升高度分别增加37.9、11.3、8、4.8、7.5 cm，对新疆天然砂砾石毛细作用增强最大的粉黏粒含量为0～5％。因此，在新疆盐渍土地区将天然砂砾石用作路基填料或隔断层时，必须将砂砾石中的粉黏粒去除，以避免阻盐、阻水失效造成较大盐胀破坏。

（3）砂砾石中不含粉黏粒时，盐水毛细水上升高度为37.5 cm，证明砂砾石有阻水、阻盐功能，在路基工程中可作为隔断层使用。

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2015-06-25