干湿循环下重塑黄土水分迁移试验

叶万军，刘 宽，董西好，李 倩，王 岩

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.中国铁路设计集团有限公司 工程经济设计研究院，天津 300124)

0 引 言

黄土地区沟谷纵横，高填方工程改变地下原有给排水体系，土体长期处于干湿循环状态引发系列工程病害，影响上层建筑的安全使用。

20世纪初至今，国内外学者一直致力于研究黄土水分迁移问题，取得了丰硕的成果[1-2]。Harlan.R.L.等早先认为土体内水分迁移过程是基于热量交换，驱动力是土水势梯度[3]；PHAM H等对干湿循环下土-水特征曲线的滞回特性进行系统性理论研究[4-5]；DEB SANJIT K等研究了非饱和沙土中液态水和水蒸气耦合条件下的热传递规律[6]；HEITMAN J L等试验研究土体在水-热耦合传递环境下瞬态温度变化特征[7]；Li X等改进试验装置，开展土体润湿前水分迁移试验，获取非饱和土水力传导率[8]；叶万军等在温度梯度条件下对重塑黄土进行了水分迁移试验，分析不同因素下黄土内水分变化的机理[9-10]；赵明华等根据非饱和土毛细作用模型、多孔介质理论及水土特征曲线计算了毛细作用导致的路基土含水率的变化[11]；肖泽岸等对土体在冻结过程中内部盐分场对水分重分布的影响[12]；宋存牛等基于Harlan模型及Darcy定律建立了冻结环境下的风积沙土路基水热耦合迁移模型[13]；黄大中等采用不同固结理论分析了大面积软土层地下水位下降时引起的二次固结问题[14]；王铁行等系统研究了不同含水率对黄土体中气、液态水迁移速度及迁移量的影响[15-17]；杨柳悦等试验研究了黄土水分运动参数对结构性参数的影响及潜蚀机理[18]；张辉在冻融环境下通过黄土体直剪试验得到了冻融循环次数与土体黏结力之间的指数减弱规律[19]；高江平等基于土体水分再分配原理，采用离心法分析了不同初始条件下路基土的水分特征曲线[20]；李宁等对冻土中温度、水分、变形三场耦合问题的微分控制方程进行细致研究，并开发了适用性较好的多场耦合数值分析软件[21]；毛雪松等采用滤纸法分析低液限粉土土体水分特征曲线，基于Van Genuchten模型对其进行拟合研究[22]；陶夏新等分析水分迁移试验后裂缝扩展、水分积聚等宏微观现象，揭示冻融对土体温度场及水分场的潜在影响规律[23]。在此阶段，该领域研究成果集中在多种不同初始条件对黄土水分迁移的影响，考虑特殊外界环境对重塑黄土水分迁移影响的研究较为缺乏，且对于干湿循环这一特定限定环境下重塑黄土的水分迁移规律的研究颇少，也暂缺完整性的考虑干湿循环、初始干密度、初始含水率这3种因素对土体水分迁移影响的内在规律。

鉴于此，取样于延安某典型黄土填方区现场，开展不同因素下干湿循环水分迁移试验，分析试验前后土体含水率的变化，测定了干湿循环、干密度和含水率等因素对黄土水分迁移的影响。为黄土地区高填方工程的选址、建设及运营过程中防灾减灾工作提供较为科学的理论依据。

1 试验概况

1.1 试验土样

试验土壤取自延安某典型高填方区，黄褐色、略湿、相对均匀，含少量砂砾、蜗牛壳等杂质。测试了土样进行基本物理力学指标，结果见表1.

表1 黄土样物理性质指标Table 1 Index of physical properties of loess samples

1.2 试验设备

试验采用课题组开发的YXDT型土壤水分变化试验仪，仪器设备如图1所示，(a)为湿度变化测试仪连接图，(b)，(c)分别为土壤湿度传感器及土壤水分收集系统。

图1 土体湿度变化测试系统Fig.1 Soil moisture change test system

1.3 试验方案

制备5组土样，对土样S2，S3进行干湿循环试验，对土样S1，S4，S5进行增湿试验，试验方案见表2.

1.3.1 增湿过程

1)用2 mm筛孔对土样筛分，配制目标含水率梯度的土样，静置5 d保证内部水分均匀；

表2 土样及试验条件Table 2 Sample and test conditions

2)计算每层所需土的质量，均匀装入样筒内，每层击实土层后在其顶部划一个小土槽。植入水分传感器，再将整个土层表面刮毛便于衔接，重复该步骤，共12层；

3)连接水源筒、恒定水位采集装置及恒定水位管、恒定进水口，检查无误后进行试验，每20 min采集一次数据。

1.3.2 减湿过程

1)减湿过程在室外进行，增湿完成后，将样筒放置于室外暴晒，傍晚再将样筒放回室内；

2)室外温度较高，每2 h测量并记录一次含水率值，以实测含水率达到或接近土体初始含水率值视为减湿过程结束。

2 试验结果及分析

2.1 减湿试验结果分析

图2反映土样S2，S3两次减湿的整个过程，直观看出：两次减湿过程中，两组土样体积含水率表现为递减状态，随距底板高度分布规律基本一致，表现为随着距底板高度的增大而逐渐减小，但减小范围不大，这与水分迁移后土体终态体积含水率分布规律大致相同。由此可见，干湿循环过程中，土样处于稳定状态时，含水率在随距底板高度增加呈现出小范围的减小；在土样除湿过程中，含水率分布曲线随时间向左移动。相邻曲线间距出现差异是与测定含水率前一天的天气有关，气温高则减湿速度快，曲线表现为向左平移增大；土样S2两次减湿用时分别21，18 d；土样S3分别用时16，13 d，减湿过程时间明显少于土样S2.原因主要是两组土样初始含水率不同，土样S3体积含水率只需要降低到27.73%，S2则需减到20.73%；从数据来看2个土样初次减湿均比二次减湿持续时间长，表现在曲线疏密程度上，即是初次减湿过程含水率分布曲线比二次减湿过程更为密集，对比图2中(a)、(b)曲线发现，(a)相邻曲线之间的最大距离大约在第1、2天和第14，15 d之间，并且曲线间距明显小于(b)中第3天、第4天和第10天、第11天的，对比图2(c)和(d)也可看出第二次减湿过程最大相邻曲线间距较大。大量试验数据证明二次减湿过程中土样持水性较差，减湿过程更易进行，也证实了土样的持水能力随着干湿循环次数的增加而减弱。

图2 土样除湿过程中含水率的分布Fig.2 Distribution of moisture content in soil dehumidification process

减湿结束，样筒内壁附着小水珠，暴晒使得水分脱离了土体后被样筒尺寸限制未能从顶部全部蒸发。观察样筒上表面，减湿后，土体颜色较浅于减湿之前，偏干，局部有微小裂纹。减湿过程中，上部土体中的水分不断蒸发为气态，下部水分向上迁移，迁移速度有限，无法及时补充，导致样筒土体水分径向分区分布，上部土体含水率较小。静置后，土体水分不断向上迁移，上部含水率不断升高，上部土体颜色逐渐恢复到之前的黄褐色。

图3 土样体积含水率随高度变化关系Fig.3 Relationship between volumetric water content and height of soil samples

如图3所示，土样除湿24 h后，土体含水率随样筒高度变化很大，由于除湿后期的含水率低，顶部土体干燥和破裂。在样筒底部至40 cm高度范围内，含水率随高度有小范围的减小现象，幅度为45%～40%之间；但在40～60 cm范围内，含水率急剧减小，即反映出暴晒过程中上部土体中的水分快速蒸发到空气中，下部土壤中的水仅产生少量向上迁移。静置后，土体中水分随高度变化不大，含水率相对均匀。究其原因，静置之后，土体下部水分在基质吸力的作用下快速向上迁移，补充上部土体缺失的水分。经过一天暴晒及静置，样筒中任意高度处土体的含水率均减小。但因样筒尺寸有限，土体中水的蒸发量不高，整个减湿过程受天气情况、目标含水率及土样初始干密度等因素的综合影响，要经历约18 d的暴晒循环才能完成。

2.2 干湿循环对土体水分迁移的影响

图4(a)反映了S2土样3次加湿期间湿润峰推进距离与时间的关系，在3次增湿过程中湿润峰随时间的推进规律基本相同，整体分为2个阶段：初始为快速迁移阶段，该阶段湿润峰推进距离随时间呈线性增大。初次增湿过程中，湿润峰用时4 h推进22.6 cm，湿润峰上升15 cm，水分迁移速度约为5.65 cm/h；第2次增湿过程本阶段用时6 h，上升17.6 cm，水分迁移速度约为3.52 cm/h；第3次增湿过程此阶段湿润峰用时5 h，上升12.5 cm，水分迁移速度约为2.50 cm/h.在此阶段湿润峰推进距离表现为：第1次加湿过程>第2次加湿过程>第3次加湿过程；对应的水分迁移速度：第1次加湿过程>第2次加湿过程>第3次加湿过程。其次进入缓慢迁移阶段：此阶段，湿润峰随时间的变化曲线呈外凸状态，即水分迁移速度随时间逐渐减慢。究其原因：湿润峰上移越高，水分的重力势就越大，当基质势与重力势之差不断减小直至相同时，迁移速度也不断减慢直至停止。

图4 增湿过程湿润峰推进距离与时间关系Fig.4 Relationship between wetting peak propulsion distance and time in three humidification processes

图4(b)为土样S3 3次干湿循环过程中湿润峰推进距离与时间的规律，曲线可分为快速变化和缓慢变化2个阶段。明显看出，相同时间内，水分迁移速度和湿润峰爬升高度均表现为：初次加湿>2次加湿>3次加湿。与土样S2规律大致相同，整体来看，土样S2、土样S3 3次增湿过程中湿润峰推进距离与时间关系曲线呈上疏下密状态。

纵观3次增湿过程，相同时间内，随着干湿循环次数的增加，湿润峰推进距离减小，即水分迁移速度减慢。分析原因：干湿循环直接影响了土体的水分分布，也间接改变了土颗粒间的粘结力及孔隙的大小、排列方式及贯通性。

2.3 初始干密度对土体水分迁移的影响

图5显示3组土样在不同时间含水率与距底板高度的关系。整体对比S4，S2，S5 3组土样在不同时刻含水率随距底板高度的变化关系，不难发现：3组土样的水分迁移规律基本一致，即在试验过程中，随着时间的推移，3组土样的湿润峰面逐渐由样筒底部向顶部迁移，土体含水率也从底部逐渐增加。曲线出现横向折线表明此时土体处于含水率变化较快的位置，折线以下土体水分迁移已经基本完成，折线上部土体尚未受到水分迁移的影响，同时也可以看出折线呈现出下疏上密的现象，说明开始时水分迁移较快，后期随距底板高度增大，水分迁移速度逐渐变慢。对比图5中各关系图线不难发现，前5 h土样S5湿润峰推进高度在20 cm左右，土样S2约为25 cm，而土样S4达到了30 cm；在水分迁移30 h时，土样S5湿润峰恰好超过55 cm，土样S2基本达到最顶部，土样S4在第25 h时达到顶部。可见土样S4水分迁移速度最快，土样S2次之，土样S5最小。针对初始干密度对水分迁移速度的影响规律研究结论并不统一，有研究中指出一般粗粒土随压实度增加，毛细水增加率变大，而粉质粘土规律相反[24]。可以看出水分向上迁移的速度与土体的颗粒级配有直接关系，不同地区、不同类型的土表现出来的水分迁移规律有较大差异。

图5 不同干密度土样湿润峰推进距离与时间关系Fig.5 Relationship between wetting peak advancing distance and time in different dry density soil samples

图6 不同测点终态体积含水率值Fig.6 Final measurement volumetric moisture content of different measuring points

图6显示3组土样最终体积含水率分布，最终体积含水率随距底板高度的增大而降低，但是减小幅度并不大，约为40%～45%；究其原因：土体初始干密度越大，土颗粒越紧密，土颗粒之间的孔隙越密实，土颗粒间的静电力在范德瓦尔斯力下更明显，则只能收集更少的水分。图7为不同干密度土样分别在初次增湿过程中湿润峰推进距离与时间的关系。图形表示为相同时刻初始干密度越小的土样，湿润峰润湿距离更大，可以看出，土样的初始干密度与水分迁移率呈负相关。重塑黄土压实度与初始干密度二者密不可分，微观层面来讲，土体颗粒间的孔隙越小，土中基质吸力一定程度上增大，但整体上受到土体间导水率、扩散率、粘结作用等综合影响更为显著，水分迁移速度整体上表现为先减小后趋于稳定的规律。

图7 不同干密度土样湿润峰推进距离与时间关系Fig.7 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of different dry density soil samples

2.4 初始含水率对土体水分迁移的影响

图8为S1，S2，S3土样在初次增湿过程中不同时刻不同高度处土体体积含水率值。

图8 不同含水率土样湿润峰推进距离与时间关系Fig.8 Relationship between wetting peak propulsion distance and time of soil samples with different water contents

从图8可以看出，试验过程中，水分不断向上迁移，所得折线呈现下疏上密的状态。土样S3最快，约为25 h.其次为土样S2，用时约为32 h，土样S1最缓慢，在第35 h时3组土样水分迁移达到最顶端。分析图9可得，高度不同的测点终态体积含水率呈现出随距底板高度增大而减小的规律，但整体上减小范围不大，也就是说，当土体水分稳定时，含水率由表面到底部逐渐增加，但变化很小。从图10可得，土体初始含水率越大，湿润峰推进速度越快。原因是含水率的增加，会增强土颗粒间的润滑效果，使得土体内的水分迁移更加平稳。

图9 不同测点的最终体积含水率值Fig.9 Different measured point height final volumetric moisture content values

图10 不同含水率土样湿润峰推进距离与时间关系Fig.10 Relationship between wetting peak advancing distance and time in soil samples with different moisture contents

3 结 论

1)干湿次数增加，土体持水能力弱化显著，湿润峰爬升最大高度逐渐下降，且试验用时逐渐增加，水分向上迁移速度减慢。减湿过程中，土体内部含水率值随高度呈径向分区分布，表现为上部含水率偏低，下部较高。静置后，水分向上迁移，补充上部土体在减湿过程中损失的水分，且随着高度增加上部含水率分布趋于均匀；

2)增湿期间，土样水分迁移可分为2个阶段：初始快速迁移阶段和缓慢迁移阶段。不同初始干密度的土样迁移规律差异不大，但初始干密度对土体最终体积含水率影响显著，土体初始干密度越小，湿润峰推进距离越大，推进速度也越快；

3)试验期间，土样初始含水率越大，水分迁移速度越快，但随着水分迁移逐渐稳定，最终体积含水率也趋于稳定，土样终态体积含水率更高。此外，土体水分迁移会受到水分重分布及土体结构重组等多方面的影响，初始含水率和干湿循环次数不同，主导因素也不同，土体水分迁移规律呈现出相应的多样化特征。