豫東黃泛區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升研究

袁玉卿，李　偉，趙麗敏

(1.河南大學(xué)　土木建筑學(xué)院，河南　開封　475004；2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京　100038)

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豫東黃泛區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升研究

袁玉卿1，李偉2，趙麗敏1

(1.河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南開封475004；2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100038)

摘要：為研究毛細(xì)水的上升規(guī)律及控制技術(shù)，取豫東黃泛區(qū)粉砂土，針對(duì)壓實(shí)度94%，96%，98%的土樣，進(jìn)行了數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，擬合得到了毛細(xì)水上升與時(shí)間的關(guān)系式。結(jié)果表明，隨時(shí)間的延長(zhǎng)毛細(xì)水上升高度逐漸穩(wěn)定，第10天時(shí)上升高度達(dá)130 cm左右，最終上升高度可達(dá)285 cm；毛細(xì)水上升速度與壓實(shí)度呈反比，壓實(shí)度98%時(shí)毛細(xì)水上升高度和速度均最?。患?jí)配碎石、水泥穩(wěn)定土、纖維水泥穩(wěn)定土能有效阻隔毛細(xì)水上升。因此，適當(dāng)提高路基壓實(shí)度和增加毛細(xì)水阻隔層可以有效控制毛細(xì)水上升，改善路基的水穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞：道路工程；路基材料；毛細(xì)水上升試驗(yàn)；粉砂土；數(shù)值模擬；阻隔；黃泛區(qū)

0引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)黃河年平均輸沙量達(dá)到16億t，其中4億t堆積在下游河床內(nèi)，使下游的河床日漸抬高，成為世界著名的“地上懸河”。千年的流水沖刷、淤積沉淀和決堤泛濫，給豫東(河南省東部)大平原帶來了深達(dá)數(shù)米的粉砂土(含砂粉土)。受黃河水補(bǔ)給影響，黃河沿線地下水位平均只有1.5 m左右。平原區(qū)建筑砂石料嚴(yán)重匱乏，粉砂土是最主要的路基填筑材料。肖軍華等[1]認(rèn)為黃河沖積粉土的顆粒級(jí)配不良，宋修廣等[2]研究發(fā)現(xiàn)黃河沖淤積平原粉土路基毛細(xì)作用強(qiáng)烈。郭韋韋等[3]鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)高地下水位引起路基含水量大，造成黃泛區(qū)路基強(qiáng)度不足，導(dǎo)致路面病害。闕云等[4]采用花崗巖殘積土，運(yùn)用數(shù)值模擬和試驗(yàn)，研究不同壓實(shí)度和初始含水率時(shí)毛細(xì)水上升規(guī)律。陳義民等[5]、董斌等[6]、余江洪[7]、杜紅普等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了毛細(xì)水上升高度、含水量及其影響因素。趙明華等[9]研究發(fā)現(xiàn)毛細(xì)作用對(duì)路基含水率影響顯著，毛雪松等[10]揭示了風(fēng)積砂的水分遷移特征。傅強(qiáng)[11]利用有限元軟件研究了毛細(xì)水的上升規(guī)律，王生平等[12]探討了毛細(xì)作用對(duì)路基濕度及強(qiáng)度的影響。楊明等[13]通過數(shù)值模擬分析，研究了基底墊層的土質(zhì)、級(jí)配以及厚度對(duì)膨脹土路基毛細(xì)水上升高度的影響規(guī)律。劉杰等[14]分別研究了無任何隔水措施、加入普通砂墊層及新型防排水材料基層時(shí)，路基濕度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

目前關(guān)于豫東黃泛區(qū)毛細(xì)水上升預(yù)測(cè)及控制的報(bào)道尚不多見。因此，研究粉砂土毛細(xì)水的上升規(guī)律具有重要的理論和工程意義。為了減少黃泛區(qū)公路的早期病害，提高公路的使用質(zhì)量與延長(zhǎng)公路的使用壽命，降低工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，針對(duì)豫東黃泛區(qū)粉砂土，通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究毛細(xì)水運(yùn)移規(guī)律和控制技術(shù)。研究成果預(yù)期為豫東黃泛區(qū)粉砂土公路設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)水利堤防工程及房屋建筑工程也有一定的參考意義。

1豫東黃泛區(qū)粉砂土基本特征

1.1豫東黃泛區(qū)粉砂土的顆粒組成

豫東黃泛區(qū)粉砂土主要為細(xì)砂，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)規(guī)定，粒徑大于0.075 mm的土采用篩分法。從施工現(xiàn)場(chǎng)取粉砂土300 g，進(jìn)行顆粒篩分，結(jié)果見圖1。

圖1　開封地區(qū)粉砂土顆粒篩分Fig.1　Particle sieving of silty soil in Kaifeng

由圖1可以看出，開封粉砂土顆粒粒徑大多分布在0.075～1 mm之間，含量高達(dá)95%，大于1 mm的顆粒極少。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)規(guī)定，該土樣符合細(xì)粒土要求。豫東黃泛區(qū)粉砂土經(jīng)過黃河水力搬運(yùn)沉積到泛洪區(qū)，并經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)力改造，因此顆粒較細(xì)。

1.2豫東黃泛區(qū)粉砂土的界限含水率

由于水的沖刷淤積作用，該區(qū)域內(nèi)土質(zhì)呈層狀分布，地質(zhì)分層較多，含水率較大。從施工現(xiàn)場(chǎng)取土樣3份，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)量其界限含水率，結(jié)果見表1。

表1 液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)

由表1可知，工程場(chǎng)地的土樣含水率較大，隨深度增加含水率增加較快。計(jì)算得液限wL=19.1%，塑限wP=13.5%，塑性指數(shù)IP=wL-wP=5.6%。按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)及《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)相關(guān)規(guī)定，該土樣屬于含砂低液限粉土。

2豫東黃泛區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升數(shù)值模擬

運(yùn)用GEO-STUDIO軟件中SEEP/W模塊，進(jìn)行豫東黃泛區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升的數(shù)值模擬。

2.1模型建立

假定毛細(xì)水上升僅為豎向遷移，不存在水平滲流，按一維情況考慮。土體中不存在溶質(zhì)遷移，土柱含水率變化不受溫度影響。假定土體為均質(zhì)連續(xù)各向同性體，忽略氣質(zhì)勢(shì)，僅考慮基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)。項(xiàng)目背景為鄭汴物流通道工程，與室內(nèi)試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，粉砂土柱A，B，C分別采用94%，96%，98%的壓實(shí)度。各砂柱粉砂土物理力學(xué)參數(shù)值見表2。

表2　試驗(yàn)用粉砂土參數(shù)值

建立模型水力邊界條件：地下水位線在砂土柱的最底端并保持穩(wěn)定，砂土柱的頂端設(shè)置為自由邊界。與毛細(xì)水上升室內(nèi)試驗(yàn)條件相對(duì)應(yīng)，建模主要考慮前10 h和前10 d土柱中毛細(xì)水上升規(guī)律。

前10 h土柱中毛細(xì)水上升建模，見圖2。土柱模型高度為1.5 m，單元邊長(zhǎng)0.02 m。計(jì)算各砂土柱在10 h時(shí)毛細(xì)水可達(dá)到的最大高度。采用瞬態(tài)分析，以小時(shí)為步長(zhǎng)共設(shè)置10個(gè)時(shí)步。

圖2　1.5 m高砂土柱有限元?jiǎng)澐质疽釬ig.2　Schematic diagram of finite element division of 1.5 m high silty soil column

前10 d土柱中毛細(xì)水上升建模，見圖3?？紤]到毛細(xì)水的充分上升，土柱模型的高度為6 m。與室內(nèi)試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，10 d時(shí)毛細(xì)水可以達(dá)到的高度。采用瞬態(tài)分析，以天為步長(zhǎng)共設(shè)置10個(gè)時(shí)步。

圖3　6 m高砂土柱有限元?jiǎng)澐质疽釬ig.3　Schematic diagram of finite element division of 6 m high silty soil column

2.2結(jié)果分析

(1)前10 h內(nèi)砂土柱毛細(xì)水上升規(guī)律

A柱、B柱、C柱在10 h時(shí)毛細(xì)水上升高度模擬見圖4。

圖4　毛細(xì)水10 h上升高度數(shù)值模擬Fig.4　Numerical simulation of capillary water rising height within 10 hours

A柱、B柱、C柱在10 h時(shí)毛細(xì)水可以達(dá)到的高度分別為0.42，0.41，0.40 m。

(2)前10 d砂土柱毛細(xì)水上升規(guī)律

6 m高度的A柱、B柱、C柱，10 d時(shí)毛細(xì)水達(dá)到高度見圖5，分別為1.35，1.30，1.28 m。

圖5　毛細(xì)水10 d上升高度數(shù)值模擬Fig.5　Numerical simulation of capillary water rising height within 10 days

圖6為A柱毛細(xì)水上升速度隨時(shí)間變化曲線。

圖6　A柱毛細(xì)水上升速度隨時(shí)間變化(1～10 d)Fig.6　Capillary water rising velocity in column A varying with time (1-10 days)

由圖6可知，開封地區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升速度隨著時(shí)間的增加是一個(gè)逐漸衰減的過程，其速度由10.63 cm/d經(jīng)過10 d降至1.36 cm/d。毛細(xì)水上升速度先快后慢，隨著上升高度的逐漸提升，其速度逐漸減慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。在毛細(xì)水上升高度不高的情況下，由于基質(zhì)吸力做功遠(yuǎn)大于水分重力勢(shì)，所以毛細(xì)水上升速度較快；但隨著高度的上升，重力勢(shì)增加明顯，基質(zhì)吸力做的功相對(duì)減少，上升的速度就逐漸變慢。

(3)砂土柱毛細(xì)水最終上升高度

A，B，C柱毛細(xì)水上升最大高度分別為2.85，2.84，2.81 m。A柱至C柱，壓實(shí)度由94%增加至98%，毛細(xì)水上升高度由2.85 m減小至2.81 m。各砂柱毛細(xì)水上升模擬結(jié)果歸納整理見表3。

表3　砂柱毛細(xì)水最大上升高度

由表3可知，A柱、B柱、C柱10 h毛細(xì)水上升高度分別為0.42，0.41，0.40 m，10 d毛細(xì)水上升高度分別為1.35，1.31，1.28 m，這與毛細(xì)水上升室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

由表3可知，粉砂土柱壓實(shí)度由94%增加至98%，10 h及10 d毛細(xì)水上升高度、毛細(xì)水最大上升高度均呈逐漸減小的趨勢(shì)。一般而言，同樣的土，當(dāng)壓實(shí)度較小時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，土中顆粒排列更加緊密，空隙就越小，因而毛細(xì)水上升高度也就越高。但是當(dāng)壓實(shí)度繼續(xù)增大時(shí)，土粒在外壓力作用下不斷靠攏，使土的內(nèi)摩擦阻力和黏聚力也不斷增加，重新排列成密實(shí)的新結(jié)構(gòu)，同時(shí)土粒的不斷靠攏，使水分進(jìn)入土體的通道減少而阻力增大；其次，當(dāng)土粒緊接在一起時(shí)，相鄰的土粒表面結(jié)合水膜相互交疊，使得土中空隙的有效直徑減小，阻礙毛細(xì)水的活動(dòng)，反而導(dǎo)致了毛細(xì)水上升高度的降低[15-16]。

3豫東黃泛區(qū)粉砂土毛細(xì)水上升室內(nèi)試驗(yàn)

采用風(fēng)干土樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得初始含水率為0.83%，最大干密度為1.841 g/cm3。

3.1毛細(xì)水上升試驗(yàn)

取A，B，C這3根玻璃管，裝好土樣，如圖7所示，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為94%，96%，98%。

圖7　毛細(xì)水上升試驗(yàn)Fig.7　Experiment of capillary water rising

通水后第一天每隔1 h觀測(cè)一次，從第二天開始每天對(duì)毛細(xì)水上升高度進(jìn)行觀測(cè)記錄，直至毛細(xì)水上升至管頂觀測(cè)結(jié)束。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制出毛細(xì)水上升的時(shí)間-高度曲線，結(jié)果分別見圖8、圖9。

圖8　毛細(xì)水前10 h上升高度Fig.8　Capillary water rising height in first 10 hours

圖9　毛細(xì)水10 d上升高度Fig.9　Capillary water rising height in first 10 days

由圖8可知，開封地區(qū)粉砂土在試驗(yàn)開始的前10 h毛細(xì)水上升速度較快。試驗(yàn)開始供水后的第1 h，A，B，C管毛細(xì)水分別上升至11.6，10.8，7.7 cm，這表明不同壓實(shí)度土樣的毛細(xì)水上升高度不同，壓實(shí)度94%(A管)的毛細(xì)水上升速度高于壓實(shí)度為96%(B管)、98%(C管)，這說明壓實(shí)度越大上升的高度越小。隨后，毛細(xì)水繼續(xù)上升，但其上升速度逐漸變小。至第7 h時(shí)，B管毛細(xì)水上升至31.9 cm，A管毛細(xì)水上升高度為31.5 cm，即壓實(shí)度為96%的B管毛細(xì)水上升高度超過壓實(shí)度為94%的A管，此刻以后B管上升高度較A，C管高，即壓實(shí)度為96%的毛細(xì)水上升高度最高。C管毛細(xì)水上升高度始終低于A管與B管，這與其壓實(shí)度有關(guān)。

由圖9可知，隨后的10 d中，試驗(yàn)土柱內(nèi)毛細(xì)水持續(xù)升高。壓實(shí)度為96%的B管土柱毛細(xì)水上升較高，至第10 d時(shí)毛細(xì)水上升高度達(dá)到132.2 cm。曲線的斜率代表毛細(xì)水上升的速度，前2 d斜率較大表明毛細(xì)水上升快，第6 d后斜率逐漸變小，但是并沒有停止。因此，只要土柱足夠高，毛細(xì)水將會(huì)繼續(xù)上升，但是增加的幅度會(huì)越來越小并最終趨于穩(wěn)定。

由試驗(yàn)可知，開封地區(qū)粉砂土的毛細(xì)水上升速度較快。毛細(xì)水的上升是一個(gè)逐漸趨于穩(wěn)定的過程，直到上升至某一高度處毛細(xì)水不再上升,即達(dá)到平衡為止。

利用Origin軟件，對(duì)圖9曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，得到關(guān)系式見表4。對(duì)于上升高度關(guān)系式，兩邊分別對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可以得到毛細(xì)水上升速度公式，見表4。

表4　毛細(xì)水上升擬合關(guān)系式

由表4可知，粉砂土毛細(xì)水上升高度符合冪函數(shù)性質(zhì)，屬于增函數(shù)，最初上升快，到一定程度后緩慢上升。粉砂土毛細(xì)水上升速度關(guān)系式屬于減函數(shù)，隨著時(shí)間的增加毛細(xì)水上升速度逐漸減小。如果試驗(yàn)土柱足夠高，觀察時(shí)間足夠長(zhǎng)，其上升速度將繼續(xù)減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)毛細(xì)水停止上升。壓實(shí)度為98%時(shí)，毛細(xì)水上升高度和速度均最小。

3.2毛細(xì)水阻隔試驗(yàn)

分別取級(jí)配碎石、水泥穩(wěn)定土、纖維水泥穩(wěn)定土，制作阻隔層裝入有機(jī)玻璃管，研究其對(duì)毛細(xì)水上升的控制作用。裝制順序自下至上依次為100 mm厚粉砂土→300 mm厚級(jí)配碎石(或水泥穩(wěn)定土或纖維水泥穩(wěn)定土)→1 000 mm厚粉砂土，裝置見圖10。裝好之后，將管子固定于支架之上，通水開始計(jì)時(shí)觀測(cè)。

圖10　毛細(xì)水上升阻隔試驗(yàn)Fig.10　Test of cutting off capillary water rising

毛細(xì)水在裝有碎石墊層的土柱中初期上升速度快，至第7 d以后毛細(xì)水上升速度逐漸減小，毛細(xì)水上升高度至第11 d時(shí)趨于穩(wěn)定，其值為32.1 cm，由于碎石墊層的厚度為30 cm，下層裝10 cm土樣，即毛細(xì)水在碎石阻隔墊層中上升了22.1 cm，毛細(xì)水并沒有到達(dá)碎石墊層以上。由此可知，碎石墊層對(duì)毛細(xì)水的隔離效果很好。

經(jīng)過一個(gè)月的觀測(cè)，毛細(xì)水仍沒有上升到水泥穩(wěn)定土和纖維水泥穩(wěn)定土墊層以上，說明這兩種復(fù)合材料對(duì)毛細(xì)水具有一定阻隔作用。實(shí)際工程中采用粉砂土填筑路基時(shí)，需對(duì)粉砂土路基基底進(jìn)行換填處理，即設(shè)置墊層，以阻隔毛細(xì)水的上升。

4結(jié)論

(1)顆粒篩分試驗(yàn)表明，開封粉砂土顆粒粒徑大多分布在0.075～1 mm之間。液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)表明，該土樣屬于含砂低液限粉土。

(2)數(shù)值模擬表明，毛細(xì)水不會(huì)無限制地升高，它是一個(gè)逐漸趨于穩(wěn)定的過程，直到上升至某一高度處，毛細(xì)水不再上升即達(dá)到平衡為止。毛細(xì)水最大上升高度為285 cm。

(3)室內(nèi)試驗(yàn)表明，毛細(xì)水上升速度隨著時(shí)間的增加而逐漸減小。前10 h毛細(xì)水上升速度最快，至第10 d時(shí)毛細(xì)水上升高度達(dá)到132.2 cm。壓實(shí)度98%時(shí)，毛細(xì)水上升高度和速度均最小。

(4)粉砂土毛細(xì)水阻隔試驗(yàn)表明，級(jí)配碎石、水泥穩(wěn)定土、纖維水泥穩(wěn)定土能很好地控制毛細(xì)水的上升，從而可以更好地保證路基的水穩(wěn)定性。

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Research of Silty Soil Capillary Water Rising in Yellow River Flooded Area of Eastern HenanYUAN Yu-qing1, LI Wei2, ZHAO Li-min1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Henan University, Kaifeng Henan 475004, China;

2.Beijing Geotechnical Institute Engineering Consultants Ltd., Beijing 100038, China)

Abstract：To study the law of capillary water rising and control techniques, using the silty soil from the Yellow River flooded area of eastern Henan, the numerical simulations and the laboratory tests on the soil samples with compaction degrees of 94%, 96% and 98%, are carried out. By fitting, the relation formulas between capillary water rising height and time are obtained. The result shows that (1) the rising height is gradually stable with time going on, about 130 cm on the 10th days, and ultimately arrived at its maximum 285 cm at the last; (2) the rising speed of capillary water is inversely proportional to the degree of compaction, especially reaching the minimum rising height and speed with the compaction degree of 98%; (3) the graded crushed stone, cement stabilized soil and fiber cement stabilized soil can effectively cut off the rising of capillary water. Thus, properly increasing the compaction degree of subgrade and adding the blocking layer of capillary water can effectively prevent the capillary water from rising, which will improve the water stability of subgrade.

Key words：road engineering; subgrade material; capillary water rising experiment; silty soil; numerical simulation; cut off; Yellow River flooded area

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)02-0033-06

中圖分類號(hào)：U416.1

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.006

作者簡(jiǎn)介：袁玉卿(1972-)，男，河南洛陽人，博士，副教授.(yroad@126.com)

基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011A580001)；河南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2010PII10)

收稿日期：2014-10-08