哈尔滨高铁路基非饱和冻土水汽迁移驱动的实验研究

董连成, 王昊玉， 高 瑞， 程江东

(黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

近年来，随着祖国“西部大开发”和“振兴东北”等国家战略的快速推进，季冻区的高铁建设等重大基础工程也在大力展开[1-3]。这些重大基础工程如哈大高铁、哈牡高铁、哈齐高铁的成功建设，促进了哈尔滨的经济发展与国家重点战略布局。随之而来的是季冻区高速铁路安全运营问题以及季冻区修建轨道经常性遇到的冻胀融沉等工程病害。轻者会令土体产生不均匀沉降以及轨道不平顺问题，重者会造成地承载能力下降，严重影响列车行驶安全。因此，对高铁路基冻胀驱动力的研究十分重要。

现有已建成的哈尔滨季冻区高速铁路大多采用无砟轨道铺设形式。采用这种形式的高铁路基层由混凝土层封闭，下层液态水向上迁移受阻，气态水受温度和基质势的影响汇聚在混凝土面层，在温度的影响下凝结成冰，产生冻胀力从而造成路面不均匀沉降。这种现象由李强等[4]命名为“锅盖效应”。

高铁路基大多属于非饱和土体。非饱和土体中水分迁移主要由气态水和液态水两种方式进行。对于无砟铁道地下水位很深的情况，液态水没有充足的补给源，水分迁移大多是以气态水的形式进行[5-8]。由土水势理论[9]可知，土中存在着重力势、温度势、渗透势以及基质势，在不含盐的土体中渗透势可认为不存在。根据王铁行等[10]所得出的结论，在土体的质量含水率小于18%的情况下，可忽略重力势对水分迁移的影响。由于基质势仅为含水率所影响，温度势可以通过温度梯度来控制。李彦龙等[8]首次运用PVC管实验，通过控制含水率梯度实现气态水迁移的实验。李颖颖[11]研发了水汽迁移的土柱模型实验装置，在不同温度梯度作用下，进行了封闭体系和开敞体系条件下的水汽迁移实验研究。

文中通过滤纸法测定土水特征曲线，得出基质势作用界限值，通过控制不同初始含水量实现基质势梯度控制，通过控制试件上下部温度达到控制温度梯度。通过温度梯度和基质势梯度作为主要驱动力的实验，对比二者的气态水迁移量，分析水汽迁移在非饱和冻土中的主要驱动作用，从而为高铁的安全运营提供理论支持。

1 实 验

1.1 土的力学参数

实验用土取自哈尔滨地区沉积粉质黏土，根据《土工试验规程》，运用液塑限联合测定仪、环刀、烘干箱等仪器测得各项基本力学参数。其中，最大干密度ρ为1.86 g/cm3，液限Kwp为32.70%，塑限Kwl为16.5%，最佳含水率Kw为13.50%。

1.2 实验方案与步骤

1.2.1 土水特征曲线

由于基质势主要受到含水率控制，基质吸力和含水率的关系对于分析土的基质势至关重要。土力学中通常将这种关系用土水特征曲线(SWCC)来表示。滤纸法[12]适用于吸力全范围测试，且操作简单，实验周期较短。故文中采用此方法进行测定。具体实验步骤如下：

(1)将“双圈”牌滤纸和取自哈尔滨地区的粉质黏土放入烘干箱内烘干12 h，取出静置待温度冷却后分别配置5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%8种含水率。每种含水率各配置两组作为平行实验取平均值。

(2)将配置好的黏土放入焖料罐内密封静置72 h，使土壤含水率均匀分布。

(3)静置后的粉质黏土再次测定其实际含水率。

(4)以含水率13%的粉质黏土为例，通过精度为0.001的高精度天平测定3张干燥后的滤纸质量，取凡士林涂抹环刀一周，将3张滤纸夹到两个环刀之间，并用黑胶带进行密封，如图1所示。

(5)将组合好的土样放入焖料罐中静置14 d，焖料罐周围温度恒定为20 ℃。

(6)14 d后取出土样，拆解土样后测量其滤纸含水率。

图1 环刀样Fig. 1 Ring cutter sample

将滤纸法实验获取的数据代入率定曲线公式，计算后得到相应的数据，如图2所示。

图2 土水特征曲线Fig. 2 Soil-water characteristic curve

由图2可知，基质吸力F随含水率K的增加而降低，含水率在达到10%之后基质吸力呈下降趋势。M.J.Fayer等[13]根据经验数据提出描述土水特征曲线的概念性模型，将该曲线分为3个区段：土体吸力范围在 104～106kPa 的线段称为牢固吸附段；在102～104kPa的线段称为水膜吸附段；在0～102kPa的线段称为毛细作用段。

参考该模型，文中实验中粉质黏土的 SWCC 曲线主要包括水膜吸附段和毛细作用段。含水率 15.3%～19.0%阶段属于毛细作用段，含水率 15.3%以下阶段属于水膜吸附段。由此可见，在含水量达到15.3%之后，由吸附作用转变为毛细作用，土体对液态水的吸持作用大幅减弱。

1.2.2 水汽迁移

文中设计一组将基质吸力、独立运用基质势作为驱动力的水汽迁移实验。此实验将温度梯度作为水汽迁移主动驱动力的前提下，进一步引入了基质势对水汽迁移的影响。

由土水特征曲线，在含水率低于10%时，基质吸力维持在240 kPa左右，在含水率达到15.3%时，水分迁移方式从吸附阶段转变为毛细作用阶段，在含水率高于15.3%时，基质吸力大幅减弱。因此，实验将粉质黏土分为3份，分别配置7%的低含水率、15%的中含水率以及19%的高含水率土样。

实验分为两组进行，共12个试件。第1组6个土柱试件以温度梯度为主要驱动力，通过不同温度梯度控制蒸发的气态水，干端含水率即为气态水迁移量。另一组6个土柱试件以基质吸力为主要驱动力，通过控制不同的初始含水率控制不同的基质势梯度，在恒定温度下，水分迁移只受基质势驱动的作用。

图3、4分别为水汽迁移实验的基质势驱动剖面图和温度势驱动的剖面图。

图3 温度势驱动剖面Fig. 3 Temperature potential driven profile

图4 基质势驱动剖面Fig. 4 Matrix potential driven profile

(1)将配置好的土样放入焖料罐中静置48 h，待含水率分布均匀测其实际含水率。两组实验均含有相同的3种初始含水率。

(2)试件由两个半径5 cm、高10 cm的PVC管组合而成。其中，温度势驱动的试件需在中间设置2 cm高度的中空层并将其用保温套管围住，防止温度流失，保证PVC管不会吸收水分和热量。0.355 mm尼龙纱网可以保证粉质黏土不会渗漏，且孔隙大小足够气态水通过。中空层为气态迁移提供足够的通道。基质势驱动的试件分为左右两个PVC塑料管，中间放置两层隔水透气膜。在恒定温度下，水分迁移只受基质势驱动的作用。由于干湿两端土体间存在两层隔水透气膜，仅有气态水通过。组合完成后进行7 d的室外冻结，如图5所示。

图5 室外冻结Fig. 5 Outdoor freezing

(3)第1组实验是以温度梯度为驱动力的水汽迁移实验。将冻好的试件用正负温温度计测其实际负温值，测得值为-7.5 ℃。测量试件完成后，将试件垂直放在恒温加热器上，上端为干土，烘干后其含水率为0，称其为干端，下端冻结过后含有水的土称为湿端。恒定温度设为30和50 ℃进行快速升温，如图6所示，通过JF-956B微电脑加热平台对PVC管底部进行加热，维持升温4 h后立即分层测其干端的含水率。此时，干端的含水量即为温度梯度影响下的气态水含量。

图6 30和50 ℃下的水汽迁移Fig. 6 Water vapor migration at 30 and 50 ℃

第2组实验为基质吸力作用下的水分迁移实验。配置试件完成后，左侧为烘干的土样，右侧为冰冻后的土样，将土样同时冰冻至相同温度，两端土样密切接触，中间放置两层隔水透气膜。此时，由于温度恒定，且左侧土样含水量为零，所以此时气态水迁移只受基质吸力的作用。将制备好的两组试件水平放置在恒温箱中，维持温度保持在30 ℃，在3和7 d后分别取出两组土样。左右两端土样中间由两层隔水透气膜隔开，保证在水分迁移过程中，只有气态水能从中通过。分层取土之后所计算的左侧干土总含水量即为受基质吸力影响的气态水含量。

2 结果分析

2.1 基质势作用下的水汽迁移

基质势驱动数据如图7所示，l为干端左侧到右侧的距离。干端右侧最接近湿端，水汽含量最高。通过对干端含水率取算术平均值可知：19%含水率的平均气态水含量η为1.32%，15%含水率的平均气态水含量为0.51%，7%含水率的平均气态含量为0.13%。可见，随着含水量梯度的增加，气态水含量增大。非饱和冻土较大的含水量梯度即较高的基质势梯度越大则其对水分迁移的驱动力就越强，其迁移量也就越大。从图7中还可以看到，19%含水率的气态水变化量为0.069，15%含水率的气态水变化量为0.034，7%含水率的气态水变化量为0.019，高含水率存在着较高的气态水变化量。这是因为高含水率段属于毛细作用段，吸力作用大，驱动水分快速迁移。通过图7可以看出，3和7 d的水分迁移量随着迁移时间的增加却不断地减小。这是由于随着迁移时间的增加，土样内部的含水量逐渐趋于匀分布，土样内部的基质势梯度也随之减小。

图7 基质势作用下含水率变化曲线Fig. 7 Variation curves of water content under matrix potential

2.2 温度势作用下的水汽迁移

第2组为温度势驱动组。通过不同的温度梯度来控制水汽迁移干土端的含水率变化，如图8所示，记l1为干端下缘到顶部的距离。干土端下部最先吸收到下部湿土端向上蒸发的气态水，即图中10 cm处含有较高的初始含水率。通过对30 ℃干端含水率取算术平均值可知：19%含水率的平均气态水含量为4.88%，15%含水率的平均气态水含量为1.53%，7%含水率的平均气态含量为0.26%。可见，在30 ℃的快速升温下，高含水率土样具有更大的水汽迁移量。

图8 温度势作用下含水率变化曲线Fig. 8 Variation curves of water content under action of temperature potential

根据图8可知，不同温度下，相同含水率有近似相等的斜率，即气态水的变化量大致相同。这是由于在不考虑基质势和重力势的作用下，气态水迁移仅受温度梯度的影响。相同温度下，含水率越高气态水迁移量越大；相同含水率下，50 ℃的气态水迁移量高于30 ℃的气态水迁移量，可知温度梯度越大，水分驱动力越强。

2.3 两种势能对比分析

通过比较两组数据可以看出，受温度势作用的水汽迁移量整体上要高于受基质势作用的水汽迁移量，在19%含水率的土样中最为明显。19%含水率温度势水汽迁移量最高可达8%，高于基质势的3.8%。可见，温度势驱动是水汽迁移主要驱动力，但基质势的影响同样不容忽略，尤其是在土体处于低含水率阶段，基质势驱动气态水迁移量并不少于温度梯度的迁移量，同样作为主要迁移驱动力的存在。

3 结 论

(1)哈尔滨本地粉质黏土进行基质吸力和水汽迁移实验表明，单因素分析下，温度势和基质势对气态水迁移有显著影响，迁移量主要受温度梯度和含水率梯度两方面控制。

(2)低于15%含水率的水膜吸附段基质势和温度势同时作为水汽迁移的主要驱动力，高于15%的毛细作用段，温度势作用更加明显。

(3)同时考虑两种势能的温度场与水分场可知，高含水率与高温度会产生更大水汽迁移量。