植被混凝土冻融过程中水分迁移试验研究

邓玮玮 刘德玉 许文年

摘要：以植被混凝土生态基材为研究对象，探讨了植生土类型和初始含水率两个因素对其在冻融过程中水分迁移的影响。通过试验对冻融过程中进行温度场以及冻融前后含水量的变化进行分析。研究结果表明：植被混凝土中的水完全冻结的时间受初始含水率和植生土类型的影响，初始含水率越大，冻结到底所需的时间越长;土样冻结后在试样顶部会出现含水量明显增大的土层，初始含水率越大，水分聚集的越多。

Abstract： Taking the vegetation concrete ecological substrate as the research object， the effects of planting soil type and initial moisture content on water migration during freezing and thawing were discussed. The temperature field during the freeze-thaw process and the change of water content before and after freezing and thawing were analyzed by experiments. The results show that the time of complete freezing of water in vegetation concrete is affected by the initial water content and the type of planting soil. The larger the initial water content， the longer the time required for freezing. After the soil sample is frozen， there will be a soil layer with a significant increase in water content at the top of the sample.The greater the initial moisture content， the more water is accumulated.

關键词：植被混凝土;温度场;含水率;水分迁移

Key words： vegetation concrete;temperature field;water content;water migration

中图分类号：TU411                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）26-0285-03

0  引言

植被混凝土生态防护技术[1]自成功发明以来，受到广泛认可和应用。该技术应用的大部分区域为华南、华中等地区，这些地区的气温条件一般较高，一般不会发生冻融现象，生态修复与边坡防护功能也不会受较大影响。但是目前有许多西部高寒地区边坡裸露工程急需修复，高寒地区气候条件较为恶劣，常年处于低温状态。在这种温度条件下，土中的水分会冻结成冰，形成冰晶体，产生冻胀现象，而当温度高于冻结温度的时候，冰晶体会融化成水，会造成融沉现象，由于多次的冻融循环，土体内部结构遭受破坏，土体就会坍塌和破坏。植被混凝土生态防护技术是将人工生态基材喷射到边坡的表层，基材中也不可避免的含有水分，从而也会受到冻融现象的影响，这也是目前该技术在高寒地区工程建设中面临的主要问题，严重影响生态恢复的质量和经济效益，为此，研究植被混凝土生态基材冻融过程中水分的迁移情况十分必要。

目前有很多学者对不同类型的土进行了不同方法的研究。赵刚等[2-3]通过改变温度模式和初始含水率，研究原状土和重塑土在冻融作用下水分迁移的情况。魏厚振等[4]对饱和粉土通过改变试样高度和边界温度进行了试验，得出了土样高度影响水分迁移量和冻胀量，土样越高，冻胀量越小，冻土含水率增量越小，但水分增量分布区域越分散，且起始冻胀时间越长的结论。曹成等[5]对黏土进行了单向冻结的试验，研究了不同饱和度、不同温度梯度、不同冻结速率及不同补水条件下土体中水分迁移的现象。张婷等[6]对非饱和土进行了单向冻结试验，研究了不同含水率、干密度以及冻结时间对土中水分迁移特性的影响。童标、张琳瑶等[7-8]等研究了冻融循环作用对植被混凝土养分及其固持能力和微生物数量变化规律的影响。周明涛等[9-10]研究了冻融作用对植被混凝土抗剪强度和冻胀效应的影响。

目前，对于植被混凝土单向冻融过程中水分迁移的问题研究的较少，因此，本文以植被混凝土为对象，以初始含水率和植生土类型作为变量，开展了室内水分迁移试验。

1  材料与方法

1.1 主要试验仪器

本文所采用的试验仪器主要由NQ-408-TE型可程式恒温恒湿箱、数字采集系统、Type-T热电偶、烘箱和电子天平等试验仪器组成。

1.2 试验方案设计

植被混凝土中植生土是主要的组成部分，其性质是植被混凝土冻融效应的重要指标，因此，植生土类型是本试验的影响因素之一。温度梯度和初始含水率是影响土中水分在冻融过程中迁移的众多因素中最突出的两个因素[11-13]。根据以上分析，试验研究的重点设定如下：

①对相同初始含水率的土样，采用不同植生土类型制备植被混凝土试样，测量试样中水分的迁移结果;

②采用相同植生土类型制备植被混凝土试样，对不同初始含水率的试样，进行水分迁移试验;

③研究试样完全冻结后水分场的分布情况;

④研究试样冻融完成后水分场的分布情况。

试验条件具体设计如表1所示。

试验共分为4组，每一组2个试样，共制备8个试样，采用2种植生土类型，进行了2种初始含水率的水分迁移试验。1-4号植被混凝土试样制备采用沙壤土，5-8号植被混凝土试样制备采用粘性土，冻融温度模式为-20℃～20℃。

1.2.1 试样的制备

植被混凝土制备严格按照现行国家能源行业标准《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》NB/T 35082-201614，具体配比见表2。

植生土取自湖北省宜昌市西陵区，土料取回风干并过2mm筛。有机物料采用木材加工厂生产的实木锯末为有机物料，将其晾晒风干再过2mm细筛，以剔除体积较大的木屑。活化添加剂来自三峡大学专利成果转让产品（专利号：01138343.7）。水泥购于三峡牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥。

植被混凝土各材料配比如表2所示。

1.2.2 试验步骤

將制备好的制样装入保温装置内并养护试样7d。

校准温度采集仪使其与环境温度一致。开始冻结试验，测试试样不同高度各中心点的温度。冻结到底后，取出其中一个试样分层切片（每层2cm），用烘干法测试各层含水率。开始融化试验，等到不同高度中心点的温度大致相同并没有太大的波动时，停止试验，取出另一个试样分层切片（每层2cm），测试各层含水率。

2  试验结果分析

2.1 试样冻融过程中温度场变化分析

图1和给出了试样2、试样6和试样8的温度随时间变化曲线。

从图1可以得出，不同植生土类型、不同初始含水率条件下，试样不同高度各中心点温度的变化趋势是基本相同的，冻结试验时，温度线快速下降至一个稳定的负值，然后温度缓慢的下降至设定的温度值并持续一段时间。融化试验时，温度快速上升至一个较小的负值，然后缓慢的上升到设定的温度值并经过一段时间达到稳定状态。

在初始含水率相同的情况下，采用粘性土制备的植被混凝土试样冻结到底的时间长。图1（a）中，试样的初始含水率是18%，植生土类型为沙壤土，试样冻结到底所需时间为43h;图1（b）中，试样的初始含水率为18%，植生土类型为粘性土，试样冻结到底所需时间为50h。

在植生土类型相同的情况下，试样初始含水率越大，冻结到底的所需的时间越长。图1（b）中，试样的初始含水率是18%，植生土类型为粘性土，试样冻结到底需要的时间为50h;图1（c）中，试样的初始含水率是20%，植生土类型为粘性土，试样冻结到底所需的时间为60h。

2.2 试样冻融过程中含水率变化分析

为了研究初始含水量对试样中水分迁移的影响，分析第1组和第4组试验，每组有2个相同的试样：一个用于冻结后测试含水量，另一个用于测试冻结到底然后完全融化的含水量。1组的含水量沿深度方向的分布曲线如图2所示。从图2可以看出：

①试样完全冻结后，上部土层的含水率有显著的增加，底部测图的含水率明显减少。并且在顶面土层出现一个最大值。两组试验的含水量变化趋势相同，只是增加的含量不一样。在土层上部含水量增大;随初始含水量增大，该土层冻结后含水量增加，初始含水量对冻结过程中出现含水量增大土层的位置影响不明显。含水量在上部土层的变化是有波动的，在下部土层的减小基本上是线性的。

②在冻结过程中，试样中上部土层中出现较大的含水量，在融化结束后试样也是上部土层含水量较大，但较冻结后增加的含水量小，即融化过程中水分迁移比冻结过程中水分迁移量小。

3  结论

在植生土类型相同的情况下，初始含水率越高，试样冻结到底所需的时间越长。

①冻结后试样上部土层的含水量增加，下部减少，并且在顶面土层出现1个较大值。

②融化后试样也是上部含水量较大，下部较少，但较冻结后试样含水量增加较小。

参考文献：

[1]许文年，夏振尧，周明涛，等.植被混凝土生态防护技术理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[2]赵刚，陶夏新，刘兵.原状土冻融过程中水分迁移试验研究[J].岩土工程学报，2009，31（12）：1952-1957.

[3]赵刚，陶夏新，刘兵.重塑土冻融过程中水分迁移试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（2）：519-525.

[4]魏厚振，周家作，韦昌富，等.饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究[J].岩土力学，2016，37（9）：2547-2552.

[5]曹成，陆建飞，李清涛.室内土体单向冻结水分迁移的试验研究[J].科学技术与工程，2015，15（9）：114-118.

[6]张婷，杨平.土体单向冻结对土中水分迁移的影响[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（01）：117-121.

[7]张琳瑶，刘大翔，许文年，等.冻融循环条件下生境基材中三种功能微生物数量变化规律研究[J].冰川冻土，2017.

[8]童标，刘大翔，许文年等.冻融循环对植被混凝土养分及其固持能力的影响[J].人民长江，2018.

[9]周明涛，杨平，胡欢，等.植被混凝土生态基材冻融效应试验研究[J].水土保持研究，2013，20（2）：282-287.

[10]周明涛，胡欢.冻融作用对植被混凝土抗剪强度的影响[J].中国水土保持科学，2014，12（2）：87-91.

[11]Prat M. Analysis of experiments of moisture migration caused by temperature differences in unsaturated porous medium by means of two-dimensional numerical simulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 1986， 29（7）： 1033-1039.

[12]Philip J R， De Veries D A. Moisture movement in porousmaterial under temperature gradient[J]. Trans Am Geophys Union， 1957， 38（2）： 222-232.

[13]谷宪明，王海波，梁士忠，等.季冻区路基水分迁移数值模拟分析[J].公路交通科技，2007（9）：51-55.

[14]三峡大学，水电水利规划设计总院.NB/T 35082-2016，水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范[S].北京：中国电力出版社，2016.