膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究

1、第 24卷 第 24期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) V ol.24 No.242005年 12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec . , 2005收稿日期:2004 07 26; 修回日期:2004 10 30基金項(xiàng)目:西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目 (200231800015;湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (04JJ3085作者簡(jiǎn)介:楊果林 (1963 ,男,博士, 2001年于中南大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)獲博士學(xué)位,現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師,主要從事巖土工程、道路與鐵 道工程和結(jié)構(gòu)工程等方面的教學(xué)與研究工作。 E-mail :guoling。

2、膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究楊果林 1, 劉義虎 2(1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南 長(zhǎng)沙 410011摘要:針對(duì)廣西南友公路寧明地段中等膨脹土和湖南常張公路慈利地段弱膨脹土,通過(guò)六組膨脹土路基室內(nèi)模型 試驗(yàn),在不同排水邊界和不同壓實(shí)條件下,分別模擬路基在積水、陰天、日照、降雨時(shí),膨脹土路基中含水量的 變化規(guī)律、水的入滲和蒸發(fā)速度等,這對(duì)膨脹土路基的設(shè)計(jì)和施工具有重要的理論和工程實(shí)際意義。 關(guān)鍵詞:土力學(xué);膨脹土路基;含水量;氣候條件影響;模型試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào):TU 443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100

3、0 6915(200524 4524 10EXPERIMENTAL STUDY ON MOISTURE CONTENT IN EXPANSIVE SOILROADBED UNDER DIFFERENT WEATHER CONDITIONSYANG Guo-lin1, LIU Yi-hu2(1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China ; 2. Hunan Provincial Communications Planning, Surveying

4、and Design Institute, Changsha 410011, China Abstruct :With six tests of expansive soils for the roadbeds, which come from Ningming section of Nanning Youyiguan Highway in Guangxi Autonomous Region, and Cili section of Changde Zhangjiajie Highway in Hunan Province, respectively , are analyzed under

5、different weather conditions such as dewatering , overcast , sunshine and precipitation. The different dewatering boundaries, the densities of roadbed, the accumulated water contents are considered for the roadbed. The moisture contents variation, water permeation and evaporation in the expansive so

6、ils roadbed are also researched. The achieved results can provide some useful references for the design and construction of expansive soils roadbed.Key words:soil mechancis; expansive soil roadbed; moisture content; weather influence; modeling test1 引 言膨脹土是在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的一種多裂隙 并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體,粘粒成分主要由親水 性礦物

7、蒙脫石與伊利石組成。膨脹土吸水膨脹、失 水收縮并反復(fù)變形的性質(zhì),以及土體中隨機(jī)分布的 裂隙, 對(duì)公路路基、 路塹邊坡等都有潛在破壞作用。 為此,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出很多處治方法,但同時(shí)也耗費(fèi)了巨大的工程費(fèi)用。膨脹土問(wèn)題是全球性的技術(shù)難題,雖然經(jīng)過(guò)半 個(gè)多世紀(jì)的研究,但至今在各國(guó)的工程建設(shè)中膨脹 土引起的工程問(wèn)題仍頻繁發(fā)生并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損 失。 膨脹土路基受水的影響顯著, 研究結(jié)果 13表明,只要膨脹土土體內(nèi)部含水量發(fā)生 1%的變化,將會(huì) 引起膨脹土工程性質(zhì)的顯著變化,進(jìn)而發(fā)生路基失 穩(wěn)等工程事故。為此,研究不同氣候條件下膨脹土 路基中含水量的變化,進(jìn)而研究膨脹土路基受氣候第 24卷 第 24期

8、 楊果林等 . 膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究 4525 影響的深度、含水量隨深度變化規(guī)律、膨脹土路基 表層土體水分蒸發(fā)與入滲基本規(guī)律,并提出避免水 損害路基的有效防治措施等 46,這將對(duì)公路、鐵 道、房建等具有重要的意義。2 膨脹土路基模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介模型箱尺寸為 3 m3 m1 m (長(zhǎng) 高 寬 。如 圖 1所示,模型箱有兩個(gè)側(cè)面和一個(gè)底面為混凝土 墻面組成,并含有一個(gè) 3 m3 m(長(zhǎng) 高 的有機(jī)玻璃 觀(guān)測(cè)面;同時(shí)還有兩個(gè)臨空面,即一個(gè)頂面和一個(gè) 3 m1 m(高 寬 為路堤邊坡面。 有機(jī)玻璃觀(guān)測(cè)面下 部為 0.6 m3.0 m1.0 cm (高 寬 厚 的竹膠板,

9、上 部為 2.4 m3.0 m1.0 cm(高 寬 厚 有機(jī)玻璃。豎 向每隔 30 cm, 橫向每隔 50 cm, 用鋼管作支擋, 以 防止有機(jī)玻璃面發(fā)生側(cè)向變形。分別用廣西南友公路寧明地段中等膨脹土、湖 南常張公路慈利地段弱膨脹土作為模擬試驗(yàn)的路基 填料。 膨脹土路堤在不同壓實(shí)度和不同排水 (路基底 用 10 cm的砂墊層,再鋪一層土工布,模擬排水邊 界條件;路基底用 10 cm的砂墊層,再鋪一層兩布 一膜土工膜, 模擬不排水邊界條件 邊界條件下, 路 堤邊坡坡度分別為 1 0.75, 1 1.00, 1 1.50情形 時(shí), 模擬路基分別在堤頂積水 (保持堤頂時(shí)刻有水 、 陰天 (即不降雨、

10、 也無(wú)日照 、 日照 (用強(qiáng)光照射模擬, 保持堤頂、坡面溫度為 40 左右 、降雨 (用淋?chē)婎^ 灑水, 每天約 0.5 h, 降雨量為 0.5 m3/(0.5 h 4種不 同氣候條件下,每種 (氣候 條件歷時(shí) 7 d左右,研 究路基中水的入滲、蒸發(fā)及土中含水量的變化規(guī) 律等。試驗(yàn)用儀器設(shè)備為江蘇南通中天精密儀器有限 公司的 MG 2型高精度測(cè)墑儀一套和 MS 2型 FDR 土壤水分探測(cè)器,測(cè)量精度為 0.1%。試驗(yàn)參 照相關(guān)規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行 710。各組試驗(yàn)簡(jiǎn)況如表 1所示,各組元器件布置如 圖 24所示。3 膨脹土路基模型試驗(yàn)3.1第一組模型試驗(yàn)3.1.1 第一組模型試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)結(jié)果整理

11、如圖 5,表 2所示。由表 2可知,最底層的 25#探頭,距路堤頂面 的距離為 2 m,從 2003年 10月 6日開(kāi)始的含水量 6.3%到積水后 6 d, 即歷時(shí) 144 h后, 含水量增大到 43.7%,入滲速度為 13.9 mm/h。隨后,含水量略有 上升, 到 10月 18日開(kāi)始日照前的含水量為 45.5%, 增大了 1.8%;日照后含水量緩慢降低,到 10月 25日開(kāi)始降雨前,即日照 6 d后含水量降低到 43.3%, 含水量降低總量為 2.2%。距路堤頂面 1.5 m的中間層 40#探頭,從 10月 6日開(kāi)始積水前的含水量 6.7%到積水 4.5 d,即歷時(shí) 120 h后,含水量增

12、大到 42.9%,水的入滲速度為 13.9 mm/h。 此后的積水階段, 此探頭處含水量略有 上升,到 10月 18日開(kāi)始日照前的含水量 43.3%, 上升了 0.4%,即基本保持穩(wěn)定。日照后,含水量緩 慢降低,到 10月 25日開(kāi)始降雨前含水量降低到 42.2%,即日照 6 d后。日照階段,含水量降低總量 為 1.1%。此后為模擬降雨階段,模擬降雨時(shí)間為 6 d,含水量由降水前的 42.2%增大到 42.9%,增大 了 0.7%。最頂層的 30#探頭,距路堤頂面 1.0 m,從 10月 6日開(kāi)始的含水量 8.4%到積水 3 d后, 即歷時(shí) 72 h后的含水量為 45.5%, 入滲速度為 13

13、.9 mm/h, 此后 的積水階段,含水量基本保持穩(wěn)定,到 10月 18日 開(kāi)始日照前的含水量為 45.9%,僅增加了 0.4%;日 照后含水量緩慢降低,到 10月 25日開(kāi)始降雨前, 含水量降低到 44.8%,即日照 6 d后,含水量降低總 (a (b 1 1剖面 圖 1 模型箱示意圖Fig.1 Schematic diagrams of model trunk 4526 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年表 1 各組模型試驗(yàn)簡(jiǎn)況Table 1 Introduction of every model test模型試驗(yàn)組號(hào) 路堤填料來(lái)源 膨脹土性質(zhì) 密實(shí)度 /% 路堤坡度 排水邊界條件 模擬試驗(yàn)階

14、段 備注 9月 13日9月 29日,為模擬路堤修筑期10月 6日10月 17日,坡頂積水 12 d10月 18日10月 24日,日照 6 d第一組 南友公路 中等膨脹土 6070 1 0.75不排水10月 25日10月 31日,降雨 6 d2003年12月 8日12月 16日,坡頂積水 9 d12月 17日12月 23日,陰天 7 d12月 24日12月 30日,日照 7 d第二組 常張公路 弱膨脹土 90 1 0.75排水12月 31日1月 6日,降雨期 7 d2003年1月 30日2月 5日,坡頂積水 7 d2月 6日2月 12日,陰天 7 d2月 13日2月 19日,日照 7 d第三組

15、常張公路 弱膨脹土 90 1 1.00排水2月 20日2月 26日,降雨 7 d2003年4月 5日4月 22日,坡頂積水 18 d第四組 南友公路 中等膨脹土 90 1 0.75不排水4月 23日4月 27日,陰天 5 d2003年4月 28日5月 26日,坡頂積水 29 d第五組 南友公路 中等膨脹土 90 1 1.00不排水5月 27日5月 30日,陰天 4 d2003年 5月 31日6月 6日,陰天 7 d6月 7日6月 16日,日照 10 d第六組 南友公路 中等膨脹土 90 1 1.50不排水6月 17日6月 23日,降雨 7 d2003年圖 2 第一組試驗(yàn)元器件布置圖Fig.2

16、Device distribution of the first test圖 3 第二和第三組試驗(yàn)元器件的布置圖 Fig.3 Device distribution of the second and third tests圖 4 第四、五和第六組模型試驗(yàn)元器件的布置圖 Fig.4 Device distribution of the fourth, fifth and sixth tests量為 1.1%。由圖 5可知,從起始含水量為 6%左右,到積 水后 7 d則變?yōu)?45%46%,隨后含水量基本保持 穩(wěn)定;日照后含水量緩慢降低;降雨后含水量又緩 慢上升。3.1.2 第一組模型試驗(yàn)結(jié)論(1

17、 水在膨脹土路堤中的入滲、蒸發(fā)與路堤密 實(shí)、排水邊界條件關(guān)系密切。(2 相比較而言,膨脹土中水分的蒸發(fā)速度慢 于入滲速度。(3 密實(shí)度為 60%70%,模擬排水邊界條件單位 :m單位 :m單位 :m第 24卷 第 24期 楊果林等 . 膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究 4527 時(shí)間 /d圖 5 第一組室內(nèi)模擬試驗(yàn)含水量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.5 Relationship curves between moisture contents variation and time in the first test表 2 第一組模擬試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Testing res

18、ults of simulated test for the first test含水量 /%日期 /年月日 30#探頭 40#探頭 25#探頭 試驗(yàn)條件 20031006 8.4 6.7 6.3 積水第 1 d 20031007 8.4 6.7 6.3 積水第 2 d 20031008 8.4 6.5 6.3 積水第 3 d 20031009 45.5 6.5 6.3 積水第 4 d 2003101045.96.56.3積水第 5 d20031011 45.9 42.9 6.3 積水第 6 d 20031012 45.9 44.0 43.7 積水第 7 d 20031013 45.9 43.

19、7 45.2 積水第 8 d 20031014 45.9 44.0 45.5 積水第 9 d 20031015 45.9 44.0 45.5 積水第 10 d20031016 45.9 44.4 45.5 積水第 11 d20031017 45.9 43.7 45.5 積水第 12 d20031018 45.5 43.3 45.5 日照第 1 d 20031020 44.8 42.2 44.0 日照第 2 d 20031021 44.4 41.8 43.7 日照第 3 d 20031022 44.0 41.4 43.3 日照第 4 d 20031023 44.0 41.3 43.3 日照第 5

20、 d 20031024 43.7 40.6 43.7 日照第 6 d 20031025 44.8 42.2 43.3 降雨第 1 d 20031026 44.8 42.5 44.8 降雨第 2 d 20031027 45.2 42.9 44.8 降雨第 3 d 20031028 45.2 42.9 45.2 降雨第 4 d 20031029 45.2 42.9 45.2 降雨第 5 d 20031030 45.242.9 45.2 降雨第 6 d注:表中所測(cè)數(shù)據(jù)為當(dāng)天開(kāi)始試驗(yàn)前的測(cè)試數(shù)據(jù)。下,在以南友公路寧明地段膨脹土為填料的路基中, 水的入滲速度為 13.9 mm/h。(4 起始含水量為 6

21、%左右的干膨脹土,積水 1周后含水量達(dá) 45%46%,隨后含水量基本保持穩(wěn) 定;日照后含水量緩慢降低;降雨后含水量又緩慢上升。3.2 第二組模型試驗(yàn) 3.2.1 第二組模型試驗(yàn)結(jié)果第二組模型試驗(yàn)含水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 6和表 3, 4所示。含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖 6,表 3所示。 從圖 6可見(jiàn):起始含水量為 10%13%,到積 水 35 d后變?yōu)?30%左右, 隨后含水量基本保持穩(wěn) 定;日照后含水量緩慢降低;降雨后含水量又緩慢 上升。從表 3可見(jiàn):最頂層的 25#探頭,距路堤頂面 0.3 m,從 2003年 12月 8日開(kāi)始的含水量 10.1%到 積水 36 h的 32.6%,入滲速度為 8.

22、33 mm/h。此后的 積水階段,含水量基本保持穩(wěn)定,到 12月 17日開(kāi) 始模擬陰天氣候條件前的含水量 31.5%,降低了 1.1%。此后,含水量緩慢降低,陰天氣候 7 d后, 即開(kāi)始日照前的 12月 24日含水量降到 27.9%,此 階段含水量降低了 3.6%。隨后,模擬日照 7 d,含 水量由 27.9%降到 26.7%,含水量降低了 1.2%。第 四階段為模擬降雨階段,含水量上升,由模擬降雨 前的 26.7%增加到降雨 7 d后的 31.0%, 含水量增加 了 4.3%。中間層的 40#探頭,距路堤頂面 0.9 m,從 12月 8日開(kāi)始的含水量 10.5%到積水 84 h的 28.6%

23、, 入滲速度為 10.71 mm/h。此后的積水階段,含水量 基本保持穩(wěn)定,到 12月 17日開(kāi)始模擬陰天氣候條 件前的含水量 29.8%,含水量增加了 1.2%;此后, 含水量緩慢降低,陰天氣候 7 d后,即開(kāi)始日照前 的 12月 24日含水量降到 26.2%,此階段含水量降 低了 3.6%。隨后,模擬日照 7 d,含水量由 26.2%降到日照的第 7 d, 含水量降 25.5%, 含水量降低了 0.7%。第四階段為模擬降雨階段,含水量上升,由含 水 量 /% 4528 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年時(shí)間 /d圖 6 第二組室內(nèi)模擬試驗(yàn)含水量隨時(shí)間的總的變化曲線(xiàn)Fig.6 Relations

24、hip curves between moisture contents variation and time in the second test表 3 第二組模擬試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Testing results of simulated test for the second test含水量 /%日期 /年月日25#探頭 40#探頭 30#探頭試驗(yàn)條件20031208 10.1 10.5 13.1 積水第 1 d20031209 9.3 10.5 13.4 積水第 2 d20031210 32.6 9.6 13.1 積水第 3 d20031211 32.2 16.7 14.1 積水第

25、 4 d20031212 31.5 28.6 32.6 積水第 5 d20031213 31.5 29.3 34.0 積水第 6 d20031214 31.5 29.5 34.3 積水第 7 d20031215 31.5 29.8 34.5 積水第 8 d20031216 31.5 29.8 34.5 積水第 9 d20031217 31.5 29.8 34.5 陰天第 1 d20031218 31.4 28.3 32.6 陰天第 2 d20031219 29.8 27.6 31.7 陰天第 3 d20031220 29.1 27.2 31.0 陰天第 4 d20031221 28.8 26.

26、7 30.5 陰天第 5 d20031222 28.3 26.4 30.0 陰天第 6 d20031223 28.1 26.2 29.8 陰天第 7 d20031224 27.9 26.2 29.5 日照第 1 d20031225 27.6 26.0 29.3 日照第 2 d20031226 27.4 25.7 29.3 日照第 3 d20031227 27.2 25.7 29.1 日照第 4 d20031228 26.9 25.7 29.1 日照第 5 d20031229 26.9 25.5 28.8 日照第 6 d20031230 26.7 25.5 28.8 日照第 7 d2003123

27、1 26.7 25.5 28.8 降雨第 1 d20040101 28.6 25.5 28.8 降雨第 2 d20040102 30.2 25.5 28.8 降雨第 3 d20040103 31.0 26.0 28.8 降雨第 4 d20040104 31.2 27.4 29.1 降雨第 5 d20040105 31.0 27.9 30.2 降雨第 6 d20040106 31.027.9 31.2 降雨第 7 d注:表中所測(cè)數(shù)據(jù)為當(dāng)天開(kāi)始試驗(yàn)前的測(cè)試數(shù)據(jù)。模擬降雨前的 25.5%增加到降雨 8 d后的 27.9%, 含 水量增加了 2.4%。最底層的 30#探頭,距路堤頂面 1.5 m,從

28、12月 8日開(kāi)始的含水量 13.1%到積水 96 h的 32.6%, 入滲速度為 15.63 mm/h。此后的積水階段,含水量 基本保持穩(wěn)定,到 12月 17日開(kāi)始模擬陰天氣候條 件前的含水量 34.5%,含水量增加了 1.9%。此后, 含水量緩慢降低,陰天氣候 7 d后,即開(kāi)始日照前 的 12月 24日含水量降到 29.5%,此階段含水量降 低了 5.0%。隨后,模擬日照 7 d,含水量由 29.5%降到期 28.8%,含水量降低了 0.7%。第四階段為模 擬降雨階段,含水量上升,由模擬降雨前的 28.8%增加到降雨 7 d后的 31.2%,含水量增加了 2.4%。各位置的含水量在不同階段的

29、變化情況如表 4所示。3.2.2 第二組模型試驗(yàn)結(jié)論本次試驗(yàn) 25#, 40#和 30#探頭的坐標(biāo) X , Y 值分 別為 (0.0, 2.1 , (0.0, 1.5 , (0.0, 0.9 ,單位均為 m 。(1 不同的階段,本文分為四個(gè)階段,分別是 第一階段 (模擬積水階段 9 d的前后含水量差 ,第二 階段 (模擬陰天階段 7 d的前后含水量差 ,第三階段 (模擬日照階段 7 d的前后含水量差 ,第四階段 (模擬 降雨階段 7 d的前后含水量差 。其中第一階段有 5個(gè)物理量,分別是模擬積水開(kāi)始時(shí) (w d0 ,水入滲到 探頭位置 (w d1 ,前后含水量差 (w d ,歷時(shí) (t ,入滲

30、 速度 (v ;第二階段有 3個(gè)物理量,分別是模擬陰天 開(kāi)始時(shí) (w c0 ,模擬陰天結(jié)束時(shí) (w c1 ,前后含水量差 (w c ;第三階段有 3個(gè)物理量,分別是模擬日照開(kāi) 始時(shí) (w s0 ,模擬日照結(jié)束時(shí) (w s1 ,前后含水量差 (w s ;第四階段有 3個(gè)物理量,分別是模擬降雨開(kāi) 始時(shí) (w r0 ,模擬降雨結(jié)束時(shí) (w r1 ,前后含水量差 (w r 。 含水量變化明顯, 歷時(shí) 3696 h后, 含水量 從 10.1%13.1%, 增大到 29.8%34.5%,增大 20%左右。含 水 量 /%第 24卷 第 24期 楊果林等 . 膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試

31、驗(yàn)研究 4529 表 4 第二組試驗(yàn)含水量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析Table 4 Testing results comparative analysis of simulated test of the second set第一階段 第二階段第三階段 第四階段 探頭 編號(hào) w d0/%w d1/%w d /%t /hv /(mm h -1w c0/%w c1/%w c /%w s0/%w s1/%w s /%w r0/%w r1/%w r /%25# 10.1 31.5 +21.4 36 8.33 31.5 27.9 -3.6 27.9 26.7 -1.2 26.7 31.0 +4.3 40# 10

32、.5 29.8 +19.3 84 10.71 29.8 26.2 -3.6 26.2 25.5 -0.7 25.5 27.9 +2.4 30#13.1 34.5 +21.4 96 15.63 34.5 29.5 -5.0 29.5 28.8 -0.7 28.8 31.2 +2.4(2 第一階段后,即積水期后,膨脹土中的含 水量較高,盡管在第二階段為陰天的氣候條件,但 含水量降低較快,降幅為 3.6%5.0%。(3 在第三階段, 起始含水量接近最佳含水量, 盡管有 10支 1 000 W的碘鎢燈照射 7 d,每天照射 6 h,保持土表面溫度為 40 左右,但含水量降低 的速率較第二階段小,降幅僅

33、為 0.7%1.2%。(4 第四階段, 為模擬降雨階段, 每天降雨 0.5 h, 含水量增大了 2.4%4.3%。(5 相對(duì)而言,路基中含水量越高,受氣候條 件影響越明顯,水分越容易降低;在最優(yōu)含水量時(shí) 水分降低較慢。(6 在排水邊界條件下,水的入滲速度隨入土 深度的增大而增大。 3.3 第三組模型試驗(yàn)3.3.1 第三組模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析第三組模擬試驗(yàn)增加路堤削坡完成后到積水入 滲階段的含水量變化率, 其測(cè)試結(jié)果含有以下變量:路堤削坡后探頭位置 (w x0 ,水入滲到探頭位置 (w x1 , 含水量差 (w d ,歷時(shí) (t ,水的入滲速度 (v ,而其余 四個(gè)階段及相應(yīng)的變量和第二組試驗(yàn)基本

34、相同。第 三組模擬試驗(yàn)中,第一階段為模擬積水階段 7 d前 后含水量差; 第二階段為模擬陰天階段 7 d, 前后含 水量差; 第三階段為模擬日照階段 7 d, 前后含水量 差;第四階段為模擬降雨階段 7 d,前后含水量差。本次試驗(yàn) 25#, 40#, 30#探頭的坐標(biāo) X , Y 值分 別為 (0.0, 2.1 , (0.0, 1.5 , (0.0, 0.9 , 單位均為 m 。膨脹土室內(nèi)模擬試驗(yàn)第三組含水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn) 圖 7,表 5。從圖 7,表 5可知,最頂層的 25#探頭, 距路堤頂面 0.3 m,從 2004年 1月 30日開(kāi)始的含 水量 26.4%到積水 1 d后的 45.2%,即

35、1月 31日, 歷時(shí) 24 h,入滲速度為 12.50 mm/h。此后的積水階時(shí)間 /d圖 7 第三組模型試驗(yàn)含水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Ralationship curves between moisture contents variation and time in the third test表 5 第三組模型試驗(yàn)含水量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析Table 5 Testing results comparative analysis of simulated test of the third set路堤削坡完成后到積水入滲階段 第一階段 第二階段 第三階段 第四階段探頭 編號(hào)w x0/%

36、w d1/% w x /%t /h v /(mm h -1w d0/%w d1/%w d /%w c0/%w c1/%w c /%w s0/%w s1/% w s /% w r0/% w r1/%w r /%25# 26.4 45.2 +18.8 24 12.50 45.2 35.5-9.735.5 28.3-7.228.3 27.2 -1.2 27.2 31.0+3.840# 25.3 29.5 +4.2 36 18.73 29.5 29.3-0.229.3 26.7-2.626.7 26.0 -0.7 26.0 28.3+2.330#28.6 33.1 +4.5 48 20.83 33.1

37、 33.6+0.533.6 30.0-3.630.0 29.3-0.7 29.3 31.9+2.6含 水 量 /% 4530 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年段, 含水量穩(wěn)定下降, 到 2月 6日開(kāi)始模擬無(wú)日照、 無(wú)降雨的陰天氣候條件前的含水量 35.5%,降低了 9.7%,這與 25#探頭距坡頂距離較小,水份易蒸發(fā) 有關(guān);此后,第二階段,含水量緩慢降低,陰天氣 候 7 d后降到 28.3%,即開(kāi)始日照前的 2月 13日, 含水量總共降低了 7.2%。隨后,模擬日照 7 d的第 三階段,含水量由 28.3%降到日照 7 d后的 27.2%, 含水量降低了 1.1%。 第四階段為模擬降雨階段, 含

38、 水量上升,由模擬降雨前的 27.2%增加到降雨 7 d后的 31.0%,含水量增加了 3.8%。中間層的 40#探頭, 距路堤頂面 0.9 m, 從 2004年 1月 30日開(kāi)始的 25.3%到積水 2 d后的 29.5%, 即 2月 1日,歷時(shí) 48 h,入滲速度為 18.75 mm/h, 含水量變化幅度為 4.2%。 此后的積水階段, 含水量 基本保持穩(wěn)定,到 2月 6日開(kāi)始模擬無(wú)日照、無(wú)降 雨的陰天氣候條件前的含水量 29.3%,含水量降低 了 0.2%;此后的第二階段,含水量緩慢降低,陰天 氣候 7 d后, 即開(kāi)始日照前的 2月 13日含水量降到 26.7%,此階段含水量降低了 2.

39、7%。隨后的第三階 段,模擬日照 7 d,含水量降到了 26.0%,含水量降 低了 0.7%。 第四階段為模擬降雨階段, 含水量上升, 由模擬降雨前的 26.0%增加到降雨 7 d后的 28.3%, 含水量增加了 2.3%。最底層的 30#探頭, 距路堤頂面 1.5 m, 從 2004年 1月 30日開(kāi)始的 28.6%到積水 3 d后,即 2月 1日,歷時(shí) 72 h的 33.1%,入滲速度為 20.83 mm/h。 此后的積水階段,含水量基本保持穩(wěn)定,到 2月 6日開(kāi)始模擬無(wú)日照、無(wú)降雨的陰天氣候條件前的含 水量 33.6%, 含水量增加了 0.5%。 此后的第二階段, 即模擬陰天氣候條件,含

40、水量緩慢降低,陰天氣候 7 d后降到 30.0%,即開(kāi)始日照前的 2月 13日,第二階段階段含水量降低了 3.6%。隨后的第三階段, 模擬日照 7 d,含水量由日照前的 30.0%降到日照 7 d后的 29.3%,含水量降低了 0.7%。第四階段為 模擬降雨階段,含水量上升,由模擬降雨前的 29.3%增加到降雨 7 d后的 31.9%,含水量增加了 2.6%。以上分析如表 5所示。 3.3.2 第三組膨脹土模擬試驗(yàn)結(jié)論(1 膨脹土含水量越高,失水速率越快。 (2 含水量的變化受深度的影響較大,埋藏較 淺,含水量受大氣影響越大。(3 第三組與第二組相比,膨脹土體中含水量 越大,水的入滲速度越大。

41、 3.4 第四組模型試驗(yàn)第四組模型測(cè)試分為兩個(gè)階段,第一階段為模 擬積水階段前后含水量差,含有 5個(gè)變量,分別是 模擬積水開(kāi)始時(shí)的含水量 (w d1 ,水入滲到探頭位置 時(shí)含水量 (w d2 ,前后含水量差 (w d ,歷時(shí) (t ,水的 入滲速度 (v ;第二階段為模擬陰天階段前后含水量 差, 歷時(shí) 5 d, 含有三個(gè)變量, 分別是模擬陰天開(kāi)始 時(shí)的含水量 (w c0 ,模擬陰天結(jié)束時(shí)的含水量 (w c1 , 前后含水量差 (w c 。本次試驗(yàn) 25#, 40#, 30#探頭的坐標(biāo) X , Y 值分 別為 (0.5, 2.1 , (0.5, 1.5 , (0.5, 0.9 ,其單位均 為 m

42、 。水的入滲速度為 1.56 mm/h;第二階段,模擬 陰天階段前后含水量差, 歷時(shí) 5 d, 膨脹土室內(nèi)模型 試驗(yàn)第四組觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 8;含水量隨時(shí)間的變化 曲線(xiàn)如圖 8, 9所示。由圖 8可知,距坡頂 30 cm處的 25#探頭,從 積水起始含水量的 21.7%,第 3 d后增大到 21.9%。 圖 8 第四組試驗(yàn)含水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Ralationship curves between moisture contents variation and time in the fourth test1015 20 25 30 35 40 45 50 123456789101112

43、1314151617181920212223時(shí)間 /d含 水 量 /%第 24卷 第 24期 楊果林等 . 膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究 4531 圖 9 積水 8 d后 25#探頭所測(cè)含水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.9 Ralationship curves between moisture contents variation and time for the probe No.25 after 8 days在積水 8 d后,歷時(shí) 192 h, 25#探頭所測(cè)的含水量 才達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的階段,含水量為 44.4%,水的入 滲速度為 1.56 mm/h。而 40#和 30

44、#探頭所測(cè)含水量 基本上保持一條直線(xiàn), 基本沒(méi)有變化。 25#探頭含水 量在積水后含水量是逐漸上升的趨勢(shì)的,隨后緩慢 的上升到積水后的第 12 d的 45.2%,隨后保持在 45.2%的一段直線(xiàn)上。停止降雨后,含水量逐漸下 降,到第四組試驗(yàn)結(jié)束時(shí),即停止降雨的第 5 d后 含水量降到了 42.5%。比較第四組與第二組試驗(yàn),不同的是第二組試 驗(yàn)在積水 2 d后水就滲透到最頂層的含水量探頭的 位置,而第四組用了 8 d的時(shí)間;第二組試驗(yàn)在積 水 2 d后含水量發(fā)生突變,隨后在模擬積水的過(guò)程 中基本保持不變,而第四組試驗(yàn)在積水后 8 d后含 水量發(fā)生突變,隨后直到積水 8 d含水量增加量都 很大,最

45、后才趨于穩(wěn)定。以上分析結(jié)果如表 6所示。表 6 第四組試驗(yàn)含水量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析Table 6 Testing results comparative analysis of simulatedtest of the fourth set第一階段第二階段探頭 編號(hào) w d1/% w d2/% w d /% t /h v /(mm h -1 w c0/% w c1/%w d /%25# 21.744.4 +0.2 192 1.5644.4 42.5-1.940# 無(wú)變化 無(wú)變化 30#無(wú)變化無(wú)變化3.5 第五組模型試驗(yàn)3.5.1 第五組模型試驗(yàn)結(jié)果與分析第五組模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)有第一階段 (從起始含水

46、 量到積水入滲到含水量探頭位置時(shí)含水量的變化 及第二階段 (模擬積水階段,前后含水量差 。其中,第一階段變量有起始含水量 (w i1 ,水完全入滲到探 頭位置 (w i2 ,含水量差 (w i , 歷時(shí) (t 及入滲速度 (v ; 第一階段變量有陰天開(kāi)始時(shí)含水量 (w c0 ,陰天結(jié)束 時(shí)含水量 (w c1 ,前后含水量差 (w c 。本次試驗(yàn) 25#, 40#, 30#探頭的坐標(biāo) X , Y 值分別 為 (0.5, 2.1 , (0.5, 1.5 , (0.5, 0.9 ,其單位均為 m 。膨脹土室內(nèi)模擬試驗(yàn)第五組含水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn) 圖 10,表 7。由圖 10所示, 在積水 3 d后, 即

47、2004年 5月 1日, 距坡頂 0.9 m的 40#探頭所測(cè)的含水量從 16.5%增大到 16.9%, 說(shuō)明水已經(jīng)開(kāi)始下滲到這一位置。 此 后,從 5月 1日到 5月 7日,含水量由 16.9%突增到 40.2%,水的入滲速度為 900/(18 + 10 24 = 1.34 mm/h, 含水量曲線(xiàn)發(fā)生突變, 說(shuō)明水已經(jīng)完全滲透 到 40# 探頭的埋設(shè)位置,此后含水量變化不大。由 第四組模型試驗(yàn)結(jié)果知道, 25#探頭埋設(shè)在距路堤頂 面 0.3 m的位置,水滲透 25# 探頭時(shí)的平均速度是 1.56 mm/h, 與第二組模型試驗(yàn)滲透到此位置的平均 速度 8.33 mm/h相比,相差很大,這與土的

48、類(lèi)型、 探頭的埋深、排水邊界條件等有關(guān)。積水 19 d后,距路基頂 1.5 m的 30#探頭所測(cè) 的含水量發(fā)生突變,從 17.9%增大到 18.1%,說(shuō)明 水已經(jīng)滲透到 30# 探頭所埋設(shè)的位置 (距路基頂面 1.5 m,到積水 29 d后含水量達(dá)到 45.5%,水從坡 頂完全滲透到距坡頂 1.5 m所用時(shí)間為 (18 + 29 24 = 1 128 h,其入滲速度為:1 500/1 128 =1.33 mm/h。3.5.2 第四、五組模擬試驗(yàn)結(jié)論(1 與排水邊界要比,在不排水邊界條件下,水 在膨脹土路基的入滲速度隨路基深度的增大而減小。(2 南友公路寧明地段中等膨脹土在 90%壓實(shí) 度條件的

49、入滲速度為 1.331.56 mm/h。 3.6 第六組模擬試驗(yàn)41.041.542.042.543.043.544.044.545.045.5 123456789101112131415時(shí)間 /d含 水 量 /% 4532 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年 圖 10 第五組模型試驗(yàn)含水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.10 Relationship curves between moisture contents variation and the time in the fifth test表 7 第五組模擬試驗(yàn)含水量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析 Table 7 Testing results compariso

50、n of simulated test forthe fifth test起始含水量到積水入滲階段 第 2階段 探頭 編號(hào) w i1 /%w i2 /% w i /%t /hv/(mm h -1 w c0/%w c1/%w d/%25# 變化不大變化不大40# 16.5 40.2 23.7 (18+10241.34 40.2 39.4-0.830#17.9 45.5 27.6 (18+21241.33 45.5 45.2-0.3第六組含水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 11,表 8。表中數(shù) 據(jù)含有第二階段 (模擬陰天階段前后含水量差,共 7 d;第三階段 (模擬日照階段前后含水量差,共 10 d及第四階段 (

51、模擬降雨階段前后含水量差,共 7 d。 其中第二階段變量有模擬陰天開(kāi)始時(shí) (w c0 , 模 擬陰天結(jié)束時(shí) (w c1 ,前后含水量差 (w c ;第三階段 變量有模擬日照開(kāi)始時(shí) (w s0 ,模擬日照結(jié)束時(shí) (w s1 , 前后含水量差 (w s ; 第四三階段變量有模擬降雨開(kāi) 始時(shí) (w r0 ,模擬降雨結(jié)束時(shí) (w r1 ,前后含水量差 (w r 。本次試驗(yàn) 25#, 40#, 30#探頭的坐標(biāo) X , Y 值分 別為 (0.5, 2.1 , (0.5, 1.5 , (0.5, 0.9 , 其單位均為 m 。由表 8,圖 11可以看出,除了埋設(shè)在土體最上 部的 25#探頭外,其他兩個(gè)探頭

52、在本組試驗(yàn)的三個(gè) 階段中,所測(cè)定的含水量都是在逐漸減小的,只是 在模擬陰天和模擬日照這兩個(gè)階段中減少很快,而 在模擬降雨階段中減小得較慢而已。對(duì)于 25#探頭在開(kāi)始的兩個(gè)階段含水量逐漸減小, 在模擬降雨階段 逐漸增大,到最后一天突然減小,這是由于此時(shí)由于 雨水的沖蝕作用, 25#探頭已經(jīng)裸露在土體的外部。 40#探頭在模擬降雨的最后一天含水量有所增大。表 8 第六組試驗(yàn)含水量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析 Table 8 Testing results comparison of simulated test forthe sixth test第 1階段第 2階段第 3階段探頭 編號(hào)w c0/%w c1/%

53、w c /%w s0/% w s1/% w s /% w r0/%w r1/%w r /%25# 42.539.8-2.739.8 37.9 -1.9 37.942.5+4.640# 39.137.2-1.937.2 35.5 -1.7 35.536.1+0.630#45.542.9-2.642.9 40.6 -2.3 40.640.2-0.4 圖 11 膨脹土室內(nèi)模擬試驗(yàn)第六組含水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Relationship curves between moisture contents variation and time in the sixth test0510152025

54、3035404550123456789101112131415161718192021222324252627282930時(shí)間 /d含 水 量 /%35373941431 2 3 4 5 6 7 8910111213141516171819 20 21 22 23時(shí)間 /d含 水 量 /%第 24卷 第 24期 楊果林等 . 膨脹土路基含水量在不同氣候條件下的變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究 4533 4 結(jié) 語(yǔ)以上通過(guò)水在膨脹土路基中的六組模型試驗(yàn)結(jié) 果及分析,可以得出如下結(jié)論:(1 在膨脹土路堤中含水量受大氣的影響,且 與路堤土的類(lèi)型、土的密實(shí)、排水邊界條件關(guān)系密 切。(2 相比較而言,膨脹土路基中水

55、分的蒸發(fā)速 度慢于入滲速度。(3 廣西南友公路寧明地段中等膨脹土:密實(shí) 度為 60%70%,模擬排水邊界條件下,水在路基 中的入滲速度為 13.9 mm/h;在 90%壓實(shí)度條件, 模擬不排水邊界條件下,水在路基中的入滲速度為 1.331.56 mm/h。(4 湖南常張公路慈利地段弱膨脹土,在模擬 排水邊界條件下,在較低含水量 (10.1%13.1%路 堤中,水的入滲速度為 8.3315.63 mm/h;而在較 高含水量 (25.3%28.6%路堤中,水的入滲速度為 12.5020.83 mm/h。這一試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:在排水邊 界條件下路基中含水量越高,水的入滲速度越大。 (5 含水量的變化受深

56、度的影響較大,埋藏較 淺,含水量的變化受大氣影響越大。(6 在不排水邊界條件下,水在膨脹土路基的 入滲速度隨路基深度的增大而減小;在排水邊界條 件下,水的入滲速度隨土深度的增大而增大。 (7 相比較而言,路基中含水量越高,受氣候 條件影響越明顯,水分越容易被蒸發(fā)而造成含水量 降低;在最優(yōu)含水量時(shí)水分變化相對(duì)較慢。參考文獻(xiàn) (References:1 李述訓(xùn) . 土壤中水分遷移問(wèn)題分析、試驗(yàn)和模擬 博士學(xué)位論 文 D. 蘭州:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 1994.(Li Shuxun. Analysis, experiment research and numerical simula

57、tion about the problem of moisture migration in soilPh. D. ThesisD. Lanzhou :Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute , Chinese Academy of Sciences, 1994.(in Chinese 2 胡世雄 . 坡度、降雨和土壤條件對(duì)坡面流及坡面動(dòng)力侵蝕過(guò)程的影響研究 博士學(xué)位論文 D. 北京:中國(guó)科學(xué)院地理研究所, 1998.(Hu Shixiong. A study on overland flows and dynami