徐州地区非饱和粉土毛细特性试验研究_杨默涵.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209009开放科学（资源服务）标识码（OSID）徐州地区非饱和粉土毛细特性试验研究杨默涵1，王照腾2，王亮亮2，罗 涛2，朱前龙2（1.中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院，江苏徐州221000；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州221116）摘要：以江苏新沂地区粉土为研究对象，开展两种不同初始压实系数 0.89、0.92 的粉土室内毛细水上升高度试验，得到毛细水上升高度与时间的关系及毛细水上升稳定后含水率与高度的关系。研究表明：粉土中毛细水在短时间内能上升到较大高度，在前 0.58 天（14 小时）的上升高度达到总上升高度的 30%，前 3 天上升高度可达总高度的 50%61%；粉土毛细水上升高度及达到稳定所需时间与初始压实系数呈负相关关系，最终上升高度分别为 60.0、40.3 cm，达到稳定所需时间分别为17、12 天；毛细水上升稳定后土样含水率在 0 20 cm 高度范围内随初始压实系数的增大而减小，土样最大含水率分别是初始含水率的 1.92 2.30 倍。关键词：毛细水；上升高度；上升速率；压实系数；粉土中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0073 05 0 引言近年来，随着我国铁路基础设施建设的快速发展，在进行选线或设计时不可避免地会经过粉土地区。粉土由于粉粒含量高、粒径相对均匀、颗粒磨圆度高等特点，导致其在压密后粒间孔隙缺乏细粒填充，毛细作用强烈。毛细水上升将导致地基土体湿度增加，降低其抗剪强度，进而造成铁路服役性能降低。土体中毛细水上升问题已引起相关科研人员的重视。在毛细水上升高度计算模型方面，肖红宇等1基于理想毛管模型及实际土孔隙比表面积与毛管比表面积相等的原则，通过单个毛管中水的上升规律提出毛细水上升高度预测公式；Bear J2研究砂土颗粒平均粒径、孔隙率与毛细水上升高度间的关系；赵明华等3基于土颗粒粒径相等这一假定，提出毛细水上升高度与土粒累积分布、吸水时长的关系函数；董斌等4建立粗粒土毛细水上升高度与有效粒径、孔隙比间的回归方程；Lu N 等5研究非饱和土中毛细水上升速率与时间的关系；刘小平6研究非饱和土路基在毛细作用下水分迁移规律，探讨毛细水上升高度与时间、土颗粒大小间的关系；Li X 等7基于毛细作用下非饱和土实测含水率、湿润锋上升速度、吸力参数等，提出一种新的非饱和土渗透系数的计算方法；付强、邓改革等8-9采用数值模拟方法研究毛细水上升高度规律。在毛细水上升高度室内试验方面，苗强强等10通过自研毛细上升试验系统，研究初始含水率对非饱和含黏土砂毛细水上升高度及上升速率的影响；袁玉卿等11研究压实度对豫东黄泛区粉砂土毛细水上升规律，指出随着压实度的增加，毛细水上升速度减小；张志军、刘迪、刘婷等12-14发现，可采用幂函数来预测不同时间内砂土毛细水的上升高度；王中翰等15研究路基层状结构毛细水上升稳定后含水率随土样高度的变化规律；宋修广等16发现毛细水上渗速率高于降水渗入速率，毛细作用对粉土试样的湿度变化影响更大；何艳平17研究粗颗粒含量对低液限粉土毛细水上升高度的影响，发现掺入一定量的粗颗粒可以有效抑制毛细效应。虽然国内外学者基于不同假定条件、不同试验条件对土体毛细水上升高度开展了积极探索与研究，但目前针对铁路服役环境下粉土路基毛细水上升高度、速率与初始压实系数的变化规律尚无相关研究。本文以新沂粉土为研究对象，采用直接观测法研究不同初始压实系数粉土毛细水上升高度、速率随时间的变化规律，以及毛细水上升稳定后含水率随高度的演化规律，为铁路路基稳定性分析及防 收稿日期：2022 10 24基金项目：国家自然科学基金面上项目(52178373)作者简介：杨默涵（1989），男，山东枣庄人。高级工程师，硕士，主要从事桥梁工程的研究工作。E-mail:v。杨默涵，等：徐州地区非饱和粉土毛细特性试验研究 73 治措施研究提供支持。1 毛细水上升高度计算基本机理压实非饱和粉土是由土、水、气体组成的三相体系。水在表面张力作用下极易出现沿较细孔隙向上及四周迁移扩散的现象被称为毛细现象，其中沿细微孔隙迁移的水为毛细水14。毛细水的上升导致路基土体含水率增大，降低了其服役性能。常用的理论毛细水上升高度主要基于土颗粒为球形及粒间孔隙等效圆柱形毛细管的假设建立h=4TScosgd（1）式中：h 为毛细水上升高度；TS为表面张力；为湿润角；d 为毛细管等效直径。然而，天然及重塑后土样颗粒及孔隙并不规则，与理论假定存在较大的出入，特别是土与水物理化学作用的存在使得计算上升高度过小。在试验及实际工程中，一般采用 Hazen 公式估算土体毛细水最大上升高度h=Ced10（2）式中：e 为土体孔隙比；d10为土的有效粒径；C 为经验系数。式（2）可估算得到砂土等黏性较弱的土样最大毛细水上升高度，但未能反映毛细水上升过程中其高度的变化情况，且在工程中经验系数 C 也较难选择。本文选用两个压实系数，采用直接观测法研究压实系数（孔隙比）对密实状态粉土毛细水上升高度的影响。2 试验材料及方法 2.1 试验材料试验土样取自中新钢厂专用线附近的江苏省新沂地区，呈褐色，细粒含量较多，黏性较弱，颗粒细腻且具有滑感，其基本物理性质，见表 1。根据岩土工程勘察规范（GB 500212001）分类标准，该土属于低液限粉土。表1粉土基本物理性质最大干密度/（gcm3）最优含水率/%塑限/%液限/%10 mm液限%塑性指数液性指数1.989.317.2124.0422.134.920.25 按照铁路工程土工试验规程（TB 101022010）要求，将取回的土样进行风干碾碎后过2 mm 标准筛，测定其初始含水率，按照最优含水率 9.3%，计算土样中所需加水量后，通过喷壶将相应质量的水加入风干土样中，且在此过程不断搅拌土样。为使土样中水分分布均匀，将配置好的湿土密封于塑料袋内静置一昼夜备用。2.2 试验方法试验以最优含水率为控制指标，填筑初始压实系数 0.89（天然土样压实系数），0.92（规范要求地基压实系数）的土柱。具体试验步骤：按上述压实系数计算所需土样质量，分 20 层装入内径 9 cm，高度 1.5 m 的厚壁透明有机玻璃管后采用木棍击实，每层高度5 cm，填筑总高度 100 cm；将试样竖直立于透水石后在容器内加水，为方便读数在水中加入蓝色墨水；采用直接观测法观测毛细水上升高度，时间间隔按铁路工程土工试验规程（TB 101022010）进行选取，读数时间分别为 5、10、20、30、60 分钟，此后根据毛细水上升高度变化速率数小时读取一次，直至上升高度不变为止；待毛细水上升高度随时间的增长趋于稳定时，卸下有机玻璃管后从0 cm 开始，每 5 cm 取土样进行含水率测试，直至100 cm，且在毛细水上升总高度附近加密取样。毛细水上升试验，见图 1。取土过程，见图 2。a 击实过程 b 试样观测图1毛细水上升试验 图2取土过程 v=hi+1hiti+1ti（3）式中：v 为毛细水上升速率，cm/h 或 cm/d；hi、hi+1为 i、i+1 时间后毛细水上升高度，cm；ti、ti+1为相邻静置时间。路基工程 74 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）3 试验结果分析 3.1 粉土毛细水上升总阶段 3.1.1 不同压实系数对毛细水上升高度的影响不同初始压实系数下粉土毛细水上升高度、上升速率与时间的关系，见图 3。粉土毛细水上升高度与孔隙比的关系，见图 4。703060525501020401515302010202551000毛细水上升 度h/cm毛细水上升速率v/cmd1 观测时间t/d观测时间t/d5101520250.890.920.890.92R2=0.97864h=21.93t0.33h=14.76t0.38R2=0.95485 a 上升 度 b 上升速率图3粉土毛细水上升高度、上升速率与时间的关系 0.890.900.910.924045505560毛细水上升高度/cm初始压实系数0.48 0.49 0.50 0.51 0.52 0.534045505560毛细水上升高度/cm初始孔隙比图4粉土毛细水上升高度与孔隙比的关系 不同压实系数粉土试样毛细水上升高度 h 随时间 t 变化的关系，可采用幂函数表示。h=AtB（4）式中：h 为毛细水上升高度，cm；t 为时间，d，tmax=25 d；A、B 为试验参数。根据毛细水上升速率的快慢，非饱和粉土毛细上升过程大致可分为剧烈上升、过渡、稳定三阶段。其中，剧烈上升阶段内毛细水上升速率分别为 28.73、24.03 cm/d，毛细水上升高度大致为总上升高度的 30%，所需时间约为毛细水上升总时间的 4%；过渡阶段内，随时间的推移毛细水上升高度平缓增加，上升速率逐渐减小至 05.00 cm/d，这主要是因为同一初始压实系数下，随毛细水上升高度的增加毛细水重力势增大，土体总体吸力逐渐减小7，此阶段所需时间约为总时间的 90%；稳定阶段内，随时间的推移，粉土毛细水上升高度趋于稳定，难以观察到土样中毛细水继续上升，稳定所需时间分别为 20、12 天。试验初期，同一时间内毛细水上升速率随初始压实系数的增加而逐渐减小，但在 6 天后，上升速率出现波动，这是由于上升高度较高，土样颜色变化较浅，与读取值相比，实际上升高度较高导致的。整个试验过程中，两个压实系数试验组毛细水上升高度的差值随时间的推移表现出先增大后趋于稳定的趋势，其中毛细水上升总高度为 60.0，40.2 cm。这是由于初始压实系数越大，土粒排列越紧密，水分进入土体的通道越少，水分上渗阻力越大7。故在进行粉土地基施工时一定要符合相关规范，控制好压实系数这一指标，以避免地下水位升降导致的粉土毛细效应明显，进而降低地基服役时间。3.1.2 Hazen 经验公式计算值与试验值比较采用 Hazen 经验公式，对两组试样的毛细水上升最终高度进行计算的结果，见表 2。表2经验值及试验结果比较压实系数孔隙比试验值/cmHazen公式计算值/cm0.890.5360.018.794.30.920.4840.220.8104.2 初始压实系数越大，孔隙比越小，Hazen 公式计算值的范围相对较大，试验所得毛细水上升高度越小。虽然两组试样毛细水上升高度均在 Hazen公式计算值范围内，但其与计算值上、下限相差较大。在工程中采用上限值则导致防护措施过于保守，进而造成经济浪费，若采用下限值则可能导致防护措施失效，进而降低路基的服役性能。因此，有必要进行粉土毛细水上升高度的研究。3.2 毛细水剧烈上升阶段非饱和粉土毛细水剧烈上升阶段内上升高度及速率随压实系数的演化规律，见图 5。初始压实系数越大，毛细水剧烈上升阶段越短，且所能达到的毛细水上升高度越小。压实系数 0.89、0.92 试验组所需时间分别约 24 小时、10.5 小时，上升高度分别为 23.5、12.6 cm。毛细水剧烈上升阶段内，随着时间的推移，毛细水高度上升规律可用幂函数进行拟合。毛细水剧烈上升阶段内，粉土毛细水上升速率随着时间的推移整体呈衰减趋势，在 9 小时后，毛细水上升速率趋于0 cm/h；在开始 10 分钟内毛细水上升速率最大，分别约为 15、18 cm/h。杨默涵，等：徐州地区非饱和粉土毛细特性试验研究 75 2520515101015520025毛细水上升 度h/cm毛细水上升速率v/cmh1 观测时间t/h观测时间t/h20515101015520025R2=0.97875h=7.25t0.34h=4.49t0.42R2=0.978960.890.920.890.92 a 上升 度 b 上升速率图5剧烈上升阶段上升高度及速率随压实系数的变化 3.3 毛细水上升稳定后土体湿度随高度演化规律毛细水上升稳定后不同压实系数粉土湿度状态随试样高度变化规律，见图 6。同一初始压实系数粉土含水率随土样高度的增加整体呈衰减趋势。100806040200510152025距水面高度h/m含水率w/%0.890.92图6上升稳定后粉土湿度状态随试样高度的变化 在土样与透水石接触面含水率最大，分别为21.39%，17.87%，是由于随着土样高度增加，毛细阻力增大，水分迁移量较少，含水率变化较小。当土样高度小于等于 20 cm 时，含水率随初始压实系数增大而减小，是由于随着压实系数增加，颗粒间的孔隙大小和数量均减小，导致水分升阻力增大，水分迁移量减小；毛细水上升高度 2048 cm时，土样毛细压力减小，毛细作用进一步减弱，试样含水率增长幅度减小，几乎不受初始压实系数的影响；毛细水上升高度 4865 cm 时，由于 0.92试验组不受毛细作用影响，其含水率并未出现明显增长趋势，而 0.89 试验组试样孔隙较大，毛细作用显著，故试样含水率较大，较初始增大约 1%4%。毛细效应消失后，试样处于自然风干状态，在 6595 cm 范围，试样含水率相近，均约 9%；但在 95100 cm 范围，含水率急剧下降，且不受压实系数的影响，衰减幅度高达 61%。因此，在进行粉土路基地基工程施工时须做好保湿措施，以免由于自然作用导致粉土表层失水严重，进而影响粉土工程特性。另外，最优含水率土体湿度在毛细作用下最大增长幅度达 92%130%，而土体湿度增大势必会使土体工程特性劣化，进而影响结构的使用年限，所以，在进行粉土地区工程结构设计时，必须考虑毛细效应对土体工程性质造成的影响，以确保工程质量。4 结语本文以新沂粉土为研究对象，采用直接观测法研究不同初始压实系数粉土毛细水上升高度、速率随时间的变化规律，以及毛细水上升稳定后含水率随高度的演化规律。（1）不同初始压实系数粉土中毛细水上升高度呈初期快速增长而后期平缓增长的变化趋势，依据毛细水上升速率的快慢，可以分为急剧增长，平缓增长，基本稳定等 3 个阶段。（2）粉土毛细水上升最大高度及所需时间均随初始压实系数增大而减小，压实系数为 0.89、0.92 试验组毛细水分别在 20、12 天后上升稳定，高度分别为 60.0、40.2 cm。（3）毛细水上升稳定后含水率随土样高度的增加整体呈衰减趋势，较初始含水率增长幅度达92%130%。随着土样湿度大幅增加，势必会降低路基土体的工程特性，有必要针对铁路路基服役条件下粉土毛细特性开展深入研究，为进一步验证路基防治措施有效性提供数据。参考文献(References)：1 肖红宇,刘明寿,彭鹏程,等.基于黏性土分形特征的毛细水上升高度研究 J.水文地质工程地质,2016,43（6）:48 52,58.XIAO H Y,LIU M S,PENG P C,et al.A study of the height of capillarywater rise based on fractal characteristics of cohesive soil J.Hydro-geology and Engineering Geology,2016,43（6）:48 52,58.2 Bear J.Dynamics of fluids in porous mediaM.New York:AmericanElsevier Publishing Company,Inc.,1972.3 赵明华,刘小平,陈安.非饱和土路基毛细作用分析 J.公路交通科技,2008,25（8）:26 30.ZHAO M H,LIU X P,CHEN A.Analysis of capillary effect in un-saturated roadbed J.Journal of Highway and Transportation Researchand Development,2008,25（8）:26 30.4 董斌,张喜发,李欣,等.毛细水上升高度综合试验研究 J.岩土工程学报,2008,30（10）:1569 1574.DONG B,ZHANG X F,LI X,et al.Comprehensive tests on rising heightof capillary water J.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30（10）:1569 1574.5 LU N,Likos W J.Rate of capillary rise in soil J.Journal of Geo-technical and Geoenvironmental Engineering,2004,130（6）:646 650.DOI:10.1061/(ASCE)1090-0241(2004)130:6(646).路基工程 76 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）6 刘小平.非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究D.长沙:湖南大学,2008.LIU X P.Study on the water-effects of unsaturated-soil roadbed andwater-transfer characteristics in the roadbed D.Changsha:HunanUniversity,2008.7 LI X,ZHANG L M,Fredlund D G.Wetting front advancing column testfor measuring unsaturated hydraulic conductivity J.Canadian Geo-technical Journal,2009,46（12）:1431 1445.DOI:10.1139/T09-072.8 付强.红粘土路基水汽运移特性及防排水优化设计研究D.长沙:长沙理工大学,2010.FU Q.Research on vapor transportion characteristics and optimal designof drainage in red clay subgradeD.Changsha:Changsha University ofScience&Technology,2010.9 邓改革,何建国,康宁波.基于多物理场耦合的毛细水高度研究 J.水土保持研究,2021,28（4）:136 141.DENG G G,HE J G,KANG N B.Research on capillary water heightbased on multi-physical field coupling J.Research of Soil and WaterConservation,2021,28（4）:136 141.10 苗强强,陈正汉,田卿燕,等.非饱和含黏土砂毛细上升试验研究 J.岩土力学,2011,32（增刊 1）:327 333.MIAO Q Q,CHEN Z H,TIAN Q Y,et al.Experimental study ofcapillary rise of unsaturated clayey sand J.Rock and Soil Mechanics,2011,32（S1）:327 333.11 袁玉卿,李伟,赵丽敏.豫东黄泛区粉砂土毛细水上升研究 J.公路交通科技,2016,33（2）:33 38.YUAN Y Q,LI W,ZHAO L M.Research of silty soil capillary waterrising in Yellow River flooded area of eastern Henan J.Journal ofHighway and Transportation Research and Development,2016,33（2）:33 38.12 张志军,李亚俊,刘玄钊,等.某金属矿山尾矿坝中毛细水的上升规律 J.中国有色金属学报,2014,24（5）:1345 1351.ZHANG Z J,LI Y J,LIU X Z,et al.Rising law of capillary water intailings dam of metal mine J.The Chinese Journal of NonferrousMetals,2014,24（5）:1345 1351.13 刘迪,卢才武,连民杰,等.基于粒径效应影响的尾矿毛细特性试验 J.中国有色金属学报,2020,30（11）:2746 2757.LIU D,LU C W,LIAN M J,et al.Experiment on tailings capillarycharacteristics based on particle size effect J.The Chinese Journal ofNonferrous Metals,2020,30（11）:2746 2757.14 刘婷,姜春露,郭燕,等.粉煤灰含量对砂土中毛细水上升规律的影响 J.煤炭学报,2016,41（11）:2836 2840.LIU T,JIANG C L,GUO Y,et al.Effect of fly ash content on capillarywater rise law in sandy soil J.Journal of China Coal Society,2016,41（11）:2836 2840.15 王中翰,柴金义,张宏.层状构造土体中毛细水上升的试验研究 J.内蒙古大学学报(自然科学版),2021,52（2）:192 197.WANG Z H,CHAI J Y,ZHANG H.Experimental study on the rise ofcapillary water in layered soil J.Journal of Inner Mongolia University(Natural Science),2021,52（2）:192 197.16 宋修广,张宏博,王松根,等.黄河冲积平原区粉土路基吸水特性及强度衰减规律试验研究J.岩土工程学报,2010,32(10):1594-1602.SONG X G,ZHANG H B,WANG S G,et al.Hydrophiliccharacteristics and strength decay of silt roadbed in Yellow Riveralluvial plainJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,32(10):1594 1602.17 何艳平.低液限粉土毛细上升特征的影响因素研究 J.工程勘察,2020,48（4）:11 18.HE Y P.Study on influencing factors of capillary rise characteristics oflow liquid limit silt J.Geotechnical Investigation&Surveying,2020,48（4）:11 18.ExperimentalStudyonCapillaryWaterCharacteristicsofUnsaturatedSiltinXuzhouAreaYANG Mohan1，WANG Zhaoteng2，WANG Liangliang2，LUO Tao2，ZHU Qianlong2（1.Xuzhou Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,Jiangsu,China；2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(CUMT),Xuzhou 221116,Jiangsu,China）Abstract:Taking the silt in Xinyi area of Jiangsu Province as the research object,the ascent heights of capillarywater for silt in laboratory were tested with two different initial compaction coefficients 0.89 and 0.92.Therelationship between Ascent height of capillary water in silt and time,and the relationship between water contentand height after capillary water rises steadily are obtained.The research shows that the capillary water in silt canrise to a large height in a short time,and the Ascent height can reach 30%of the total ascent height in the first0.58 days(14 hours).Ascent height in the first 3 days can reach the total height 50%61%.The ascent height ofcapillary water of silt and the time required for reaching stability are negatively correlated with the initialcoefficient of compaction.The final ascent height are 60.0,40.3 cm,and the time required to reach stability are17 days,12 days respectively.After the capillary water rises and becomes stable,the water content of the soilsample varies with the initial coefficient of compaction in a certain height range(0 20 cm).The maximum watercontent of the soil sample is 1.92 2.30 times of the initial water content.Keywords:capillary water；ascent height；rate of ascent；compaction coefficient；silt杨默涵，等：徐州地区非饱和粉土毛细特性试验研究 77