，

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省蘭州市廣泛分布有Q3黃土，深度較大，近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)以及蘭州城市建設(shè)的迅速發(fā)展，蘭州地區(qū)的工程建設(shè)逐步向南北兩山的皋蘭山、徐家山、五一山、白塔山、九洲臺(tái)等土地開(kāi)發(fā)區(qū)擴(kuò)展，同時(shí)也向榆中、皋蘭地區(qū)的市區(qū)外圍衛(wèi)星城發(fā)展[1]。因此，這就意味著許多交通工程將穿越黃土覆蓋區(qū)，黃土成為這些地區(qū)的主要路基材料。修筑在地表的路基受地下水的作用是一個(gè)長(zhǎng)期反復(fù)的過(guò)程。進(jìn)入基礎(chǔ)內(nèi)部的水分會(huì)嚴(yán)重危害公路的使用性能，滯留在基礎(chǔ)內(nèi)部的水分是導(dǎo)致公路破壞的主要因素之一[2-3]。特別地，在黃土地區(qū)，水分入侵是導(dǎo)致黃土路基不均勻沉陷的主要原因[4]。地下水對(duì)路基的影響，其本質(zhì)是非平衡基質(zhì)勢(shì)與毛細(xì)效應(yīng)引起水分遷移后土體強(qiáng)度發(fā)生了弱化[5]。地下水上升縮短了毛細(xì)作用路徑，加快了毛細(xì)水對(duì)基礎(chǔ)土水的補(bǔ)給，水分的增加，將誘使黃土路基產(chǎn)生病害[6]。因此，本文以蘭州地區(qū)青白石鄉(xiāng)的黃土為試樣，探究其不同干密度狀態(tài)下地下水分毛細(xì)上升的規(guī)律，其是有效分析和治理路基病害的根據(jù)，該地區(qū)尚未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)告。

1 試驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)用到的黃土取自甘肅省蘭州市青白石鄉(xiāng)，關(guān)于黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

圖1 黃土毛細(xì)吸水試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的黃土試樣為重塑土，將取得的黃土過(guò)2mm篩，在105℃的烘箱中烘干24h，通過(guò)計(jì)算稱(chēng)取合適的質(zhì)量，制得10%含水率下不同干密度(1.5、1.6、1.7)的φ38×80 mm的圓柱試樣，每組3個(gè)試樣。在試樣上標(biāo)注刻度，刻度間距0.5 cm，并用保鮮膜包好，進(jìn)行編號(hào)。

進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)前，在試樣表層涂抹一層凡士林用作隔水層，吸水端面不涂。隨后將試樣輕置于透水石上，開(kāi)始計(jì)時(shí)，每間隔一定時(shí)間讀取水位上升高度，如圖1所示。待水分到達(dá)頂端后，切除試樣兩端各0.5cm，隨后按照?qǐng)D1所示切割試樣，將試樣分為7份，測(cè)量其含水率。

表1 黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3組不同干密度的黃土試樣進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)，得到了關(guān)于毛細(xì)水上升高度H與時(shí)間t的關(guān)系，試樣高度h與含水率的關(guān)系。

2.1 毛細(xì)水上升高度與時(shí)間的關(guān)系

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在前段時(shí)間，水位上升很快，隨著時(shí)間增加，水位上升速度變慢，最終在60 min后到達(dá)頂端。具體曲線如圖2所示。圖中曲線的斜率表示毛細(xì)水從試樣底部向頂端運(yùn)移的速率。從圖中可以看出，曲線在前5 min近似垂直，說(shuō)明在5 min內(nèi)，吸水速度非常快，在5～45 min內(nèi)，曲線斜率逐漸減小，曲線變平緩，毛細(xì)水上升速率變慢，最終在60 min時(shí)到達(dá)頂端。

為了研究不同干密度對(duì)毛細(xì)水上升的影響，取3種干密度下的上升高度的平均值進(jìn)行對(duì)比，如圖2d所示。從圖中可以明顯看出，干密度越大，毛細(xì)水升高速率越慢，到達(dá)頂端所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.87%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3種干密度對(duì)比

2.2 試樣高度與含水率的關(guān)系

在毛細(xì)吸水試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣均分為7份，分別測(cè)量其含水率ω，得到了在不同位置試樣的含水率分布情況，如圖3所示。底部含水量最大，試樣高度越大，含水量越低。從圖中可以看出，在0～4 cm內(nèi)，含水率變化很大，4～8 cm內(nèi)，含水率變化較小。說(shuō)明毛細(xì)水在試樣的中下部作用比較強(qiáng)烈，隨著高度增加，毛細(xì)作用減弱。毛細(xì)作用由強(qiáng)變?nèi)醯闹饕纸缇€為試樣中部4 cm處。

圖3d反映了不同干密度下，含水率在試樣中的分布情況。由圖可知，干密度越大含水量越小，說(shuō)明孔隙度決定了毛細(xì)作用的大小。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.97%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3種干密度對(duì)比

3 討論

為了定量分析干密度對(duì)毛細(xì)上升高度的影響，利用Matlab分別對(duì)不同干密度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到的擬合結(jié)果列于表2。

表2 毛細(xì)上升高度與時(shí)間的擬合關(guān)系

由表2可以看出，通過(guò)擬合得到的曲線形式為y=alnbx+c。其中a近似于試樣的干密度，c可以認(rèn)為是體積常數(shù)，在本次試驗(yàn)中，試樣的尺寸為φ38×80 mm，相應(yīng)的c值在0.52～0.63內(nèi)變化。參數(shù)b隨著干密度的增加逐漸減小。由此可以推測(cè)出本次試驗(yàn)黃土的毛細(xì)吸水與干密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

H=ρdlnbt+cv

(1)

其中，ρd為試樣的干密度；b為試驗(yàn)常數(shù)；t為毛細(xì)作用時(shí)間(min)；cv為與尺寸有關(guān)的體積常數(shù)，

本次研究的試樣取值為0.52～0.63。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3組不同干密度的黃土進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1)隨著黃土試樣高度的增加，毛細(xì)作用逐漸減弱。相同含水率下，干密度越大，毛細(xì)水上升速率越慢，水分到達(dá)頂端所需的時(shí)間越長(zhǎng)；

(2)試樣底部的含水率最高，在0～4 cm內(nèi)，含水率變化幅度較大，在4～8 cm內(nèi)，含水率變化幅度變小。干密度越大，含水率越??；

(3)毛細(xì)吸水主要作用在試樣的中下部，上部的毛細(xì)作用比較微弱。

[1]張森安，劉若琪.蘭州地區(qū)大厚度濕陷性黃土場(chǎng)地巖土工程問(wèn)題[J].工程勘察.2006(增):344-347.

[2]翁興中，機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社.1992．

[3]周奇，岑國(guó)平，馮居忠，等.道路結(jié)構(gòu)內(nèi)水分運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)[J].公路.2013(11):55-62.

[4]潘宗俊，楊曉華，劉巍然，等.壓實(shí)黃土路基導(dǎo)水參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].公路交通科技.2005(07):55-57.

[5]談云志，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，等．壓實(shí)紅黏土水分傳輸?shù)拿?xì)效應(yīng)與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué).2010(07):277-282.

[6]周奇，陳太紅，朱振南，等．黃土路基毛細(xì)水上升規(guī)律試驗(yàn)?zāi)M研究[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào).2015.28(1):54-60.