泥灰岩膨胀土填料压实含水率控制预估计算方法

秦梓航 王金龙 蒋植洁 梁军林＊ 容洪流 巫志文

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁 530004；3.广西大学广西特殊地质公路安全工程技术研究中心，广西南宁 530004；4.广西长长路桥建设有限公司，广西南宁 530004）

泥灰岩膨胀土指黏粒含量大于50%，具有高液限、高塑性的特殊黏土，其分布具有明显地域性特征，在南宁盆地较为常见。膨胀土的天然含水率大，若直接用于路基填筑，易引起路堤沉降和边坡溜塌等工程问题。其工程性质较差，但经过相关技术处理仍能够用作路基填料，以解决借土弃方和生态破坏的问题[1]，寻求降低含水率的压实控制方法是保证工程质量和安全性的重要途径。

翻晒是工程中常用的提高稠度、降低含水率的方法，是土体与大气相互作用的过程，受气温、地温、湿度、风等外界因素和土体性质的影响[2]。刘闯[3]、赵亚党[4]通过室内试验及数值模拟的方法，总结了花岗岩残积土填料翻晒性能的影响因素，但该方法仅对翻晒效果展开定性研究，且试验参数测定周期长，难以在工程中快速应用。目前，工程界对于翻晒时间的控制仅凭经验与现场试验取得，严重影响施工质量及施工效率。本文以理论计算的方法探讨翻晒的影响因素及评价翻晒对于降低土体填料含水率的效果，建立土体填料含水率控制评价体系，提高工程质量及施工效率，具有重大工程意义。

本文通过引入蒸汽扩散系数，直接建立扩散系数与蒸发量的关系，简化土体蒸发量的计算方法，评价翻晒对降低土体含水率的效果，用于预估路基填料翻晒时间，具有理论和工程应用价值。

1 土体蒸发计算理论

1.1 蒸发量的计算

采取摊铺现场翻晒措施时，可根据蒸发量计算翻晒达到要求的含水率时所需的时间，蒸发量计算，如下：

式中：q——土面蒸发量[g/（m2·s）]；D——蒸汽在空气中的扩散系数，取2.82×10-5/（m2·s）；ρsat——饱和蒸汽的密度（g/m3），饱和蒸汽的密度与大气影响因素有关，与蒸汽压呈线性变化关系，如下：

式中：Mw——水分子的摩尔质量，取18.016 g/mol；R——理想气体常数，取8.13 J/（mol·K）；T——热力学温度（K）；uv——蒸汽压（kPa），蒸汽压计算：

式中：φ——土层平均相对湿度（表示形式为小数）；uvsat——饱和蒸汽压。

按照水分迁移机理，土表蒸发可分为两个阶段，第一阶段，液体分子通过扩散运动从蒸发面迁移到土层表面；第二阶段，水蒸气以层流或紊流形式自由逸到大气中[5]。在第一阶段内，特定温度下，土体内部气相压力与液相压力达到一个平衡状态，此时的蒸汽压即为饱和蒸汽压，饱和蒸汽压uvsat计算如下：

由上式可看出，饱和蒸汽压随温度的升高而增加，在温度一定时，土体内部饱和蒸汽压为一定值。

1.2 分散系数的计算

有风条件下，扩散系数应采用分散系数，扩散系数与分散系数量纲相同，关系如下：

式中：E——分散系数[/（m2·s）]；v——风速（m/s）；D——扩散系数[/（m2·s）]；d——颗粒直径（m）。

1.3 翻晒时间的计算

每平方米蒸发水量，如下：

式中：ρd——土体干密度（g/cm3）；s——面积（m2）；w——蒸发水量（g）；h——松铺厚度（m）；w0——初始含水率（以小数表示）；wh——晾晒所要求含水率（以小数表示）。

翻晒时间计算，如下：

式中：t——时间（h）；w——蒸发水量（g）；q——土面蒸发量[g/（m2·s）]。

2 工程算例

本文选取新柳南高速公路服务区某膨胀土路基压实填筑为例，填料液限为56%，塑限为29%，塑性指数为27，天然含水率为28%，天然稠度为1.04。拟采用现场翻晒措施降低含水率，使稠度提高到1.15左右，则含水率应降低至25%以下。空气相对湿度为50%，温度为30%；土层松铺厚度为0.20 m，土层底面相对湿度为90%，温度为20%。土样的干密度（松铺）为1.20 g/cm3，试计算蒸发量及翻晒时间。

（1）无风条件下。代入数据，饱和蒸汽压为4.249 kPa，饱和蒸汽密度为15.53 g/m3，蒸发量为4.26×10-4g/（m2·s）。含水率由28%降至25%时，每平方米需要蒸发的水量为7 200 g，所需翻晒时间为196 d。

计算结果表明：无风条件下通过扩散使0.2 m的土层含水率降低到符合压实要求，所需时间达196 d，在工程中不可行。

（2）有风条件下。风速与风力分级的关系如表1所示。

表1 风速与风力等级的关系

例如，土体颗粒直径为2.0 mm，风力等级5级，风速为8.0 m/s，分散系数为0.032/（m2·s）；将分散系数代替扩散系数，蒸发量为0.483 6 g/（m2·s），所需翻晒时间为4.14 h。计算结果表明：风速为8.0 m/s时，翻晒时间可缩短为4.14 h，翻晒效果主要取决于风速，有风条件下翻晒可行。如果土团直径小于2 mm，分散系数中风速影响项的系数将有所增大，但分散系数随粒径变小而线性降低，因此细粒土较难以翻晒。

（3）现场实测含水率。为了验证计算结果与现场填料含水率是否吻合，采取烘干法测量同一水平填筑层不同检验点位的实际含水率，检验点位布置如图1所示，各点位含水率平均实测值如表2所示。

图1 检验点位布置图

表2 各点位平均含水率值 单位：%

由表2可知，经过翻晒处理后的实际含水率与计算含水率比较吻合，含水率误差不超过1%。导致误差产生的原因是天然土堆在大气干湿循环作用下不同深度土体内存在湿度差，填料在搬运过程中不可避免的水分流失。因此，测试结果验证了蒸发量计算公式的准确性，为工程界预估填料翻晒时间提供借鉴。

3 结语

本文基于热力学控制方程，考虑扩散系数与大气影响因素，提出了蒸发量简化计算公式，参数简单易测，避免了大量复杂的边界条件，有利于工程应用。通过比对现场翻晒处理后的土体实测含水率，验证了蒸发量计算公式的准确性。

由计算结果可知，翻晒在特定条件下可达到降低土体含水率的目的，翻晒的效果主要取决于风速和颗粒直径，其中以风速最为明显。