劉杉，張飛龍，夏才園

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西　西安　710064）

粉黏粒含量對天然砂礫石毛細(xì)作用的影響研究

劉杉，張飛龍，夏才園

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064）

為研究粉黏粒含量對新疆天然砂礫石毛細(xì)作用的影響，通過改變粉黏粒含量，對取自新疆S201線某試驗(yàn)段所用路基填料（天然砂礫石）進(jìn)行室內(nèi)鹽水毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)，得出了不同粉黏粒含量砂礫石毛細(xì)水上升高度分別隨時(shí)間和砂礫石中粉黏粒含量的變化情況，并通過回歸分析得出了毛細(xì)水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量的關(guān)系式。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉黏粒含量對砂礫石毛細(xì)水上升高度有顯著影響，毛細(xì)水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量成對數(shù)遞增關(guān)系，增長速度先快后慢；對新疆天然砂礫石毛細(xì)作用增強(qiáng)最大的粉黏粒含量為0～5％。

公路；粉黏粒含量；天然砂礫石；毛細(xì)水上升高度

鹽脹一直是新疆硫酸鹽漬土地區(qū)公路工程的主要病害之一。在外界條件變化時(shí)，土中粉末狀或液態(tài)硫酸鹽吸水結(jié)晶產(chǎn)生體積膨脹是路基鹽脹形成的主要原因。造成鹽脹的物質(zhì)基礎(chǔ)是土體中硫酸鹽的存在及遷移，而毛細(xì)水上升是促使鹽水向上遷移聚積的主要途徑之一。國內(nèi)外研究證明鋪設(shè)隔斷層以隔斷向上遷移的鹽分和水分，是防止路基鹽脹的有效處理措施。新疆硫酸鹽漬土地區(qū)砂礫石資源豐富，常被用作路基填料或隔斷層。砂礫石路基或隔斷層不僅可隔斷毛細(xì)水上升，而且可增加路基的整體強(qiáng)度，控制或削弱路基的不均勻變形。但經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多采用砂礫石路基或隔斷層的公路運(yùn)營一段時(shí)間后也會發(fā)生鹽脹破壞。取樣研究發(fā)現(xiàn)砂礫料中存在不同數(shù)量的粉質(zhì)黏土顆粒。為了研究毛細(xì)水上升高速與砂礫料中粉黏粒含量之間的關(guān)系，該文依托新疆S201線試驗(yàn)段項(xiàng)目，對新疆天然砂礫石進(jìn)行毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)，通過改變砂礫石中粉黏粒含量，觀測鹽水毛細(xì)水上升高度的變化，為新疆鹽漬土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)、施工控制及病害防治等提供理論與技術(shù)參考。

1　豎管法毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)原理

豎管法毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)原理是基于毛細(xì)水作用機(jī)理。土是由土顆粒（固相）、水（液相）及氣體（氣相）三種物質(zhì)構(gòu)成的集合體，其中存在許多大小不同、形狀各異、隨機(jī)分布的孔隙，這些孔隙形成水分遷移的通道和水分滯留的場所。固相基質(zhì)的化學(xué)成分、礦物組成、級配、顆粒大小、顆粒形狀、排列順序等決定土體中孔隙的形狀、大小、毛細(xì)管彎曲度、連通性等空間分布特征，這些也是影響毛細(xì)水上升高度的主要因素?？梢詫⑼林呕癁榫哂薪y(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的平行毛細(xì)管束模型，在該模型中，水分的橫向分布根據(jù)毛細(xì)力、重力、吸附力的綜合作用按毛細(xì)管的統(tǒng)計(jì)分布從毛細(xì)力較大的小孔隙依次向毛細(xì)力較小的大孔隙進(jìn)行，最終形成小孔隙充水（微觀飽和）。土粒與水分子之間產(chǎn)生的吸附力或毛細(xì)力使單位重水體產(chǎn)生一種能量，做功后（忽略摩擦損失）轉(zhuǎn)化為等量的重力勢能，表現(xiàn)為毛細(xì)水上升高度，從而達(dá)到豎管法毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)的效果。

1.2試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用砂礫石取自新疆S201線某試驗(yàn)路所用路基填料，粉質(zhì)黏土取自西安北郊某基坑，土樣呈黃褐色，液限為30.6％，塑限為18.1％，塑性指數(shù)為12.5。

取具有代表性的風(fēng)干砂礫石、粉質(zhì)黏土，分別配置黏粒含量為0、5％、10％、15％、20％、30％的試樣并記為試樣1、2、3、4、5、6。配置一定質(zhì)量的含鹽量為5％的鹽水。

1.3試驗(yàn)設(shè)備

毛細(xì)水試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)架、有機(jī)玻璃試驗(yàn)管、馬氏瓶、塑料管、鋼卷尺及直尺等構(gòu)成（見圖1）。有機(jī)玻璃試驗(yàn)管高200 cm，內(nèi)徑20 cm，在距零點(diǎn)1 cm處開一排氣小孔，管頂有可以通氣的鋁蓋，底座上配有橡皮墊圈和銅絲網(wǎng)。在有機(jī)玻璃管外側(cè)固定有鋼卷尺，以便觀測毛細(xì)水上升高度。

圖1　毛細(xì)水試驗(yàn)系統(tǒng)

其他試驗(yàn)設(shè)備主要用于試驗(yàn)前的準(zhǔn)備，包括烘箱、漏斗、天平（感量0.01 g）、振搗棒等。

1.4試驗(yàn)步驟

（1）裝好毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)儀器，墊好底座的墊圈和銅絲網(wǎng)，擰緊有機(jī)玻璃試驗(yàn)管，固定管身，使其垂直。

（2）取已配好的試樣1，分?jǐn)?shù)次裝入有機(jī)玻璃管1中，并用振搗棒不斷搗實(shí)，使其密實(shí)度均勻。當(dāng)試樣裝至160 cm處時(shí)結(jié)束裝樣。依次按試驗(yàn)要求將試樣2～6分別裝入有機(jī)玻璃管2～6中。試樣1～ 6高均為160 cm，直徑20 cm。

（3）將配制好的含鹽量為5％的鹽水裝入馬氏瓶中，用固定在馬氏瓶上的直尺控制馬氏瓶水面比有機(jī)玻璃管零點(diǎn)高出1.0 cm，且使供水水位保持不變。

（4）接通塑料管和有機(jī)玻璃管底部的接口，打開排氣孔使空氣排出，直到孔內(nèi)有水流出時(shí)擰緊螺帽。

（5）從小孔有水排出時(shí)計(jì)起，經(jīng)0.5、1、2、5、7、9、11、14、18、22、24 h，以后每隔1 d，根據(jù)管中試樣的顏色，讀取并記錄此時(shí)毛細(xì)水上升高度，直至上升穩(wěn)定為止，試驗(yàn)結(jié)束。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過42 d試驗(yàn)，得出6個(gè)不同粉黏粒含量試樣中毛細(xì)水上升高度隨時(shí)間的變化曲線（見圖2）及毛細(xì)水上升最大高度（見表1）。

圖2　不同粉黏粒含量毛細(xì)水上升高度隨時(shí)間變化曲線

表1　不同粉黏粒含量毛細(xì)水上升最大高度

從圖2可以看出：無論砂礫石中粉黏粒含量多少，毛細(xì)水上升趨勢基本上是在試驗(yàn)初期上升速度較快，之后逐漸減慢。分析其原因如下：在該試驗(yàn)中，基質(zhì)勢和重力勢是引起試件中水分遷移的主要因素，基質(zhì)吸力作用使水分向上遷移，而試件中水分自重在水分由下向上遷移過程中起相當(dāng)于反向力的作用，不利于水分向上遷移。在試驗(yàn)初期，毛細(xì)水上升高度較小的情況下，基質(zhì)吸力做功遠(yuǎn)大于重力勢，所以毛細(xì)水上升速度較快；隨著毛細(xì)水上升高度的增加，試樣中水分重力勢逐漸增大，而基質(zhì)吸力的作用減弱，毛細(xì)水上升速度隨之逐漸變慢。當(dāng)基質(zhì)吸力與毛細(xì)水柱重力勢達(dá)到平衡時(shí)，毛細(xì)水不再上升，達(dá)到毛細(xì)水上升最高點(diǎn)。

從表1可以看出：砂礫石中不含粉黏粒時(shí)，毛細(xì)水上升高度僅為37.5 cm；砂礫石中粉黏粒含量為5％時(shí)，毛細(xì)水上升高度為75.4 cm，增加37.9 cm。當(dāng)砂礫石中粉黏粒含量由5％、10％、15％、20％分別增加至10％、15％、20％、30％時(shí)，毛細(xì)水上升高度分別增加11.3、8、4.8、7.5 cm。可見，隨著砂礫石中粉黏粒含量的增加，毛細(xì)水上升高度的增長速度逐漸減緩（見圖3）。

圖3　毛細(xì)水上升高度隨砂礫石中粉黏粒含量的變化曲線

由圖3可以看出毛細(xì)水上升高度與粉黏粒含量呈對數(shù)遞增關(guān)系。經(jīng)回歸分析，得計(jì)算公式為：

式中：Y為毛細(xì)水上升高度（cm）；X為砂礫石中粉黏粒含量（％）。

毛細(xì)水上升高度與粉黏粒含量呈對數(shù)增長趨勢，進(jìn)一步證明毛細(xì)水上升高度隨砂礫石中粉黏粒含量的增加而增大，增長速度先快后慢。分析其原因，當(dāng)砂礫石中不含粉黏粒時(shí)，試樣顆粒間的孔隙粗大，毛細(xì)作用較弱，因而毛細(xì)水上升高度較小。隨著砂礫石中粉黏粒含量的增加，試樣顆粒間孔隙體積逐漸變小、數(shù)量逐漸增加，毛細(xì)作用逐漸增強(qiáng)，毛細(xì)水上升高速度較快。毛細(xì)水的上升速度與試樣毛細(xì)管的通暢性有關(guān)，當(dāng)砂礫石中粉黏粒含量繼續(xù)增加時(shí)，粉質(zhì)黏土顆粒吸附的結(jié)合水膜厚度增加，減小了試樣中孔隙的有效直徑，使毛細(xì)水上升時(shí)受到很大阻力，因而上升速度減緩。當(dāng)試樣顆粒間的孔隙完全被結(jié)合水充滿時(shí)，毛細(xì)水也就停止上升了。

3　結(jié)論

（1）粉黏粒含量對砂礫石毛細(xì)水上升高度有顯著影響，毛細(xì)水上升高度與砂礫石中粉黏粒含量呈對數(shù)遞增關(guān)系，增長速度呈先快后慢的趨勢。

（2）粉黏粒含量由0、5％、10％、15％、20％分別增加到5％、10％、15％、20％、30％時(shí)，砂礫石毛細(xì)水上升高度分別增加37.9、11.3、8、4.8、7.5 cm，對新疆天然砂礫石毛細(xì)作用增強(qiáng)最大的粉黏粒含量為0～5％。因此，在新疆鹽漬土地區(qū)將天然砂礫石用作路基填料或隔斷層時(shí)，必須將砂礫石中的粉黏粒去除，以避免阻鹽、阻水失效造成較大鹽脹破壞。

（3）砂礫石中不含粉黏粒時(shí)，鹽水毛細(xì)水上升高度為37.5 cm，證明砂礫石有阻水、阻鹽功能，在路基工程中可作為隔斷層使用。

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2015-06-25