DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.12.036
路基土水分扩散和冷凝迁移的室内模拟试验
王桂尧，肖侃，黄弈茗
(长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410114)
摘要：为研究水分扩散和冷凝迁移引起的路基软化机理及影响因素，设计制作模拟路基竖向水分冷凝迁移和水平方向水分扩散迁移的试验装置。首先，模拟竖向温差条件，通过室内试验研究不同压实度路基土在温度梯度作用下的竖向水分冷凝迁移高度和迁移速率变化规律；然后，模拟晴雨交替和连续降雨条件，对不同晴雨交替循环、不同压实度和不同边坡坡度路基土的水分扩散迁移变化进行试验研究，得到了晴雨交替与连续降雨、不同土样压实度以及边坡坡度对路基土水分扩散迁移的影响规律。研究结果表明：路基土的压实度、路基边坡坡度以及晴雨交替循环等因素会对路基边坡的水分扩散迁移速率及迁移范围产生显著影响。路基土的水分扩散迁移是引发高填方路基含水率升高及路基软化的主要原因。
关键词：水分扩散；冷凝迁移；路基软化；连续降雨；晴雨交替
中图分类号：TU441 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)12-4657-07
Simulation of moisture diffusion and condensate migration in subgrade soil
WANG Guiyao, XIAO Kan, HUANG Yiming
(School of Civil and Architecture Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)
Abstract: In order to research the subgrade softening mechanism and influence factors caused by moisture diffusion and condensate migration, a series of test devices were designed and produced to simulate subgrade vertical moisture condensation migration and the horizontal diffusion migration. With different compactions of subgrade soils, the change laws of vertical moisture condensation migration height and velocity under different temperature gradients were first studied. Then, the experiments of water diffusion and migration under different alternate rain and sunshine conditions were performed. The compactions of subgrade soils and slope gradients were studied by simulating alternate rain and sunshine or continuous rainfall conditions, and the influence laws of the affection by alternate rain and sunshine condition, different compaction degrees and different slope gradients were obtained. The results show that the changes of the compaction degree and slope gradient or the alternating cycle of rain and sunshine conditions may influence the moisture migration distance and the moisture content in subgrade slope significantly. The moisture diffusion migration in subgrade soil is the main reason for the increase of the water content of the road bed, and it is also the reason for subgrade softening.
Key words: moisture diffusion; condensate migration; subgrade softening; continuous rain; rain or shine alternately
现有的路基路面防排水技术已能基本保证雨水不会由路面渗透到路基土中，但在南方多雨地区仍然发生填方路基大段地泥化沉陷。如某使用7 a以上的高速公路大段行车道路面出现水损坏，从损坏路面部位钻芯取得的路床土样基本处于泥化状态，芯样烘干后的路床土体压实度只有80%~85%[1]。钱劲松等[2]的实测结果也表明路床内平衡含水率比最佳含水率高5%左右。可见投入运营后的路基存在持续不断的水分迁移引起含水率增加而导致的路床泥化，其结果必将是路面结构层的破坏。发生以上现象，若不考虑路面开裂引起的渗流泥化等因素，则主要原因为地下水的毛细上升以及雨水入渗边坡后进一步向路基中心的扩散迁移。刘杰等[3-7]研究表明：毛细水上升的主要特点为毛细水上升速率随时间逐渐减小，并且普遍较快地趋于稳定高度。Overduin等[8-11]的研究揭示了温度对非饱和土水分迁移特征的影响，认为温差越大，水分迁移特征越明显。汪建峰等[12-13]认为温度对非饱和土水分迁移特征的影响可能与非饱和土的基质吸力随温度升高而近似线性降低有关。在理论上，能够建立一种考虑温度影响的土-水特征曲线方程[14]或一维非饱和冻土水热耦合模型[15]等。傅智等[1]认为：由于在一年中的大部分时间内，路床土体的下部温度高于上部温度，即地温高于路表温度，由此会发生水分的冷凝迁移而使上部土体含水率增大，但这一推断尚未见到有关试验或实测数据的研究报道。胡旭东[16]进行的初步试验研究表明：边坡渗水对路基湿度影响明显，当边坡水分入渗时，路基水分迁移以横向为主，但这种横向水分迁移的研究尚不能解决路基土的水分扩散和软化问题。由于南方地区的填方路基在不断的晴雨交替、冬夏循环过程中，通过坡面的雨水入渗并进一步向路基中心扩散迁移，将最终进入路基内部而使路面结构层底部路基的含水率逐渐增加，当水分从路基两侧扩散至路基中间并接头后，全宽路基发生泥化[1]。本文作者拟通过室内模拟试验，分别对路基土的竖向冷凝迁移以及水平向的雨水入渗扩散迁移规律进行试验研究，以便为进一步研究路基软化机理以及雨水入渗及水分扩散迁移对路基边坡稳定性影响的研究提供参考。
1 试验装置及方法
1.1 土体竖向水分冷凝迁移试验方法
图1所示为土体竖向冷凝迁移试验装置示意图，采用内径为10 cm，长度为70 cm的有机玻璃管，土样底端采用HH-S24S数显恒温水浴锅加温，加热功率为800 W，控温精度为0.5 ℃。在试验过程中，分层压实的土样压实度分别为88%，92%和96%。
试验时，将土样一端放置1层土工布并加垫1块透水石，然后将此端放入恒温水浴锅中水浴加热并恒温，同时，土样的另一端用塑料膜密封，并保持在恒温的实验室环境中，两端的温差控制在20 ℃左右。
1.2 路基土水分扩散迁移试验方法
为研究雨水入渗及其扩散迁移引起的路基含水率变化，模拟连续降雨与晴雨交替循环条件，分别进行不同坡度、不同压实度路基的雨水入渗及其扩散迁移试验研究。
试验装置由有机玻璃管、辐射加热、模拟降雨装置以及取土器组成。其中，试验土样由内径为10 cm，壁厚为2 cm的有机玻璃管内填筑而成，填土完成后的有机玻璃管尾部采用隔水保温材料封闭。试验时，将有机玻璃管尾端抬高3~5 cm，形成3°左右的斜面，避免渗水倒灌影响试验结果的真实性。
图1 竖向冷凝迁移水浴加温试验装置示意图
Fig. 1 Schematic diagram of test device for vertical condensing water migration
试验过程中将试验装置置于恒温室内，保持恒温20 ℃，试验装置示意图如图2所示。采用人工滴灌模拟降雨和灯光照射加热循环交替方法模拟晴雨交替。模拟降雨的雨滴从滴管滴落在坡面后，通过滤纸均匀分散到坡面土壤，其中降雨时间为1 h，坡面辐射加热时间为1 h。考虑到南方夏季的持续降雨和高温天气的温差，试验过程的坡面温差恒定为20 ℃。
模拟边坡坡角分别为30°和45°，土样压实度为88%，92%和96%。为测试长期连续降雨或晴雨交替循环2种试验方法的水分迁移变化，每隔几个循环测试一次含水率变化，距坡脚每隔5 cm取一个土样，试验土样的含水率采用切片烘干法测试。
图2 路基土水分扩散迁移模拟试验装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of simulation test device for subgrade soil moisture diffusion migration
试验土样为长沙地区常见的粉质黏土，初始含水率(质量分数)为10.9%，其界限含水率(液限和塑限)等基本物理参数如表1所示。
表1 试验土样的物理参数
Table 1 Physical parameters of soil samples
2 竖向水分冷凝迁移试验结果及讨论
对压实度为88%，92%和96%的3组不同土样，同时放在室温为20 ℃的恒温室内，进行温差为20 ℃的一维土柱水分迁移试验，模拟竖向水分冷凝迁移，测得不同时间段的水分上升高度和迁移速率变化如图3所示。
由图3可知：在室温为20 ℃，温差为20 ℃的条件下，由于温度势和基质势的共同作用，路基土的水分具有持续不断向上迁移的趋势，尽管开始时的水分上升速率较大，但上升速率随时间变化而减小的速度较快。不同压实度对水分上升速率影响明显，其中，当温差为20 ℃时，压实度分别为88%，92%和96%的3组不同土样，其306 h后土柱水分上升高度分别为31.2，37.1和42.2 cm，相应的水分上升速率为0.04~0.06 cm/h，这说明路基土越密实，温度势和基质势影响的毛细水上升高度越高，但受重力势的影响，竖向毛细水的冷凝迁移将最终趋于稳定。
在室温为12 ℃的恒温室内，将压实度为96%的3组试样分别放入水温为12，22和32 ℃的恒温水浴锅内，即温差为0，10和20 ℃，测得260 h后的水分上升高度如图4所示。
由图4可见：在温差为0，10和20 ℃时，其毛细水上升高度分别为39.8，49.2和53.2 cm。在基质势和温度势的共同作用下，随着温差的增加，路基土的毛细水上升高度也会相应地增加。但温差对毛细上升的影响程度随温差的升高而降低，温差的大幅上升不会引起毛细水上升的显著变化，并且在毛细水上升高度中，基质势引起的毛细水上升高度远大于温度势引起的冷凝迁移上升高度。例如，常温时的毛细水上升高度为39.8 cm，而温差为20 ℃时的冷凝迁移增加的高度为13.4 cm，仅占总上升高度的1/4。
图3 不同时间段的水分上升高度和上升速率变化曲线
Fig. 3 Change curves of moisture rise height and rise velocity at different periods of time
图4 不同温差条件的毛细水上升高度
Fig. 4 Capillary water rise height at different temperature differences
3 雨水入渗边坡水分扩散迁移的试验结果及讨论
3.1 连续降雨渗透时的水分扩散迁移
不同压实度路基土在连续降雨渗透时的水分迁移距离和迁移速率变化试验结果如图5所示。
由图5(a)可见：当在坡面连续降雨渗透时，不同压实度路基土中的水分具有持续不断向内部扩散迁移的趋势，试验时间超过960 h后，压实度为88%的路基土水分扩散引起的水分迁移距离最长为182.3 cm，而92%压实度的水分迁移距离(140.0 cm)仅为88%压实度路基土的77%，而96%压实度的水分迁移距离(118.5 cm)则为88%压实度路基土的65%。
图5 连续降雨时的水分迁移距离和迁移速率变化
Fig. 5 Changes of moisture migration distance and migration rates under continuous rainfall
由图5(b)可见：当在坡面连续降雨渗透时，不同压实度路基土中的水分扩散速率随时间变化具有逐步减小的趋势，但在雨水入渗300 h后，水分的迁移速率变化逐渐趋向平缓，说明在连续降雨渗透时，路基土的水分迁移速率逐渐减小并最终趋于一个较为稳定的迁移速率，其中压实度为88%的路基土稳定的水分扩散迁移速率为0.19 cm/h左右，92%压实度的水分迁移速率为0.13 cm/h左右，而96%压实度的水分迁移速率为0.11 cm/h左右。
3.2 晴雨交替时的水分扩散迁移
不同压实度路基土在晴雨交替循环时的水分迁移距离和迁移速率变化试验结果如图6所示。
由图6(a)可见：当在晴雨交替循环时，不同压实度路基土中的水分具有持续不断向内部扩散迁移的趋势，其中，当试验时间超过400 h时，压实度为88%的路基土在晴雨交替过程中，其水分扩散引起的水分迁移距离最长为142.5 cm，而92%压实度的水分迁移距离(119.0 cm)仅为88%压实度路基土的84%，96%压实度的水分迁移距离(105.0 cm)则为88%压实度路基土的73%。
图6 晴雨交替循环时的水分迁移距离和迁移速率变化
Fig. 6 Changes of moisture migration distance and migration rates under wetting-drying cycle
由图6(b)可见：晴雨交替对雨水入渗后的水分扩散迁移速率影响较大，3种压实度土样初始速率约为0.5 cm/h，远小于连续降雨时的初始速率，这表明在降雨初期或坡面浅层，持续降雨的连续渗透比晴雨交替的间断渗透具有更大的迁移速率。当试验时间为200 h，干湿循环使坡面形成了稳定饱和区后，不同压实度路基土中的水分扩散迁移速率随时间具有逐步减小的趋势，但在雨水入渗400 h后，水分迁移速率变化逐渐趋向平缓，说明在晴雨交替渗透时，路基土的水分扩散迁移速率逐渐减小并最终趋于一个较为稳定的迁移速率，其中压实度为88%的路基土稳定的水分扩散迁移速率为0.33 cm/h左右，而92%压实度路基土的水分扩散迁移速率为0.27 cm/h左右，96%压实度路基土的水分扩散迁移速率为0.24 cm/h左右，其稳定扩散迁移速率明显比连续降雨时的迁移速率要大。
3.3 边坡坡度对水分迁移的影响
边坡坡角分别为30°和45°时，压实度为88%路基土在不同晴雨交替循环的水分迁移变化测试结果如表2所示。
表2 晴雨交替循环时不同边坡坡角的水分迁移距离
Table 2 Wetting front migration distance under different slop angles, alternating cycle of rain and sunshine
由表2可知：随着晴雨交替循环次数的增加，坡面土壤中的水分迁移距离也在不断增加，并且这种分布与边坡坡度密切相关。边坡坡度越缓，晴雨交替循环次数对土样含水率的影响就越大。
产生上述现象的原因主要是：边坡坡度越缓，降雨时的坡面受水面积越大，且水分在坡面的滞留时间越长，从而使缓坡在降雨过程中所积聚的水分比陡坡的更大。另外，在晴雨交替中，缓坡坡面阳光辐射温升作用的接受面积较大，其温度上升也比陡坡的明显。边坡的坡度越陡，压实度越大，晴雨交替循环次数越少，雨水入渗的影响范围就越小。反之，雨水入渗的影响范围就越大。
3.4 连续降雨与晴雨交替过程的水分扩散迁移比较
在降雨初期的坡面浅层，持续降雨的连续渗透时水分扩散迁移速率比晴雨交替的间断渗透时的迁移速率大。但干湿循环进行140 h后，压实度为92%路基土晴雨交替的水分扩散迁移速率就超过了连续降雨工况时的迁移速率，而压实度为96%及88%路基土晴雨交替的水分扩散迁移速率分别在340 h和400 h后超过连续降雨工况。这表明持续强降雨主要对路基坡面浅层或降雨初期的水分扩散迁移影响较大，而晴雨交替却对路基深层或长期的水分扩散迁移产生重要影响。
比较连续降雨与晴雨交替时的水分扩散迁移规律可知：连续降雨24 d的水分扩散迁移距离与晴雨交替17 d的水分扩散迁移距离相当。而在稳定扩散速率方面，96%压实度连续降雨的水分扩散迁移速率约为晴雨交替时的一半的情况，说明晴雨交替时水分扩散迁移速率比连续降雨渗透的迁移速率大，因此，晴热高温天气的阳光照射会加快边坡土壤中的水分向路基中心扩散迁移。这是由于地表阳光照射和地层内部低温形成的温差，这一温差的温度势循环交替作用，使水分具有持续不断向内部扩散迁移的动力。按连续降雨扩散迁移速率计算，宽度为21.5 m宽路基的水分从路基两侧扩散到路基中心的时间需1 a多，而晴热高温天气的阳光照射则会大大缩短这一时间。但由于实际情况并非连续降雨，也不是如同本试验频繁的晴雨交替，同时，除夏天以外的温差也大部分小于本试验条件的温差，因此，实际工程的水分扩散迁移速率远小于本试验的扩散迁移速率。
3.5 关于路基软化主要影响因素
在竖直方向，温度势和基质势的共同作用，使路基土的竖向水分冷凝迁移具有初始速率大但较快在重力势的平衡作用下趋于稳定的特点。与毛细水上升的现象类似，由温度势引起的竖向水分冷凝迁移到一定高度后也会停止上升，并且对达到一定压实度的路基土而言，其压实度越高，路基土的冷凝迁移毛细水上升高度越高，但这种影响并不明显，并且由温差作用而引起的竖向水分冷凝迁移高度影响有限，因此，路基土中水分的冷凝迁移并不是引发高填方路基含水率升高的主要原因。
与竖直方向相比，水平方向的水分扩散迁移受重力势影响较小，路基土水平方向的扩散迁移速率尽管也会随时间变化而减小，但这种减小速率远小于竖直方向冷凝迁移的下降速率，并且水平方向的水分始终以稳定且较大的速率向路基中心扩散迁移，特别在阳光辐射坡面晴雨交替的温度势作用条件下，这种扩散迁移速率更大。由此认为路基土水分的水平方向扩散迁移是引发高填方路基含水率升高及路基软化的主要原因。
4 结论
1) 在温度势、基质势和重力势的共同作用下，路基土的竖向水分冷凝迁移具有初始速率大，随后逐渐减小并趋于稳定的特点。类似于毛细水上升的现象，高填方路基水分的竖向冷凝迁移上升高度有限，因此，水分冷凝迁移不是引发高填方路基含水率升高的主要原因。
2) 在坡面连续降雨渗透时，路基土水分持续不断向内部扩散迁移的速率逐渐减小，并在雨水入渗时间超过300 h后逐渐趋于稳定扩散。提高压实度能够显著减小水分的扩散迁移速率，其中压实度为88%，92%和96%路基土相对应的水分稳定迁移速率分别为1.9，1.3和1.1 cm/h左右。
3) 在坡面晴雨交替渗透时，路基土水分持续不断地向内部扩散迁移的速率逐渐减小，并最终趋于一个稳定的速率，其中压实度为88%，92%和96%路基土相对应的水分稳定迁移速率分别为3.3，2.7和2.4 cm/h左右。
4) 持续强降雨对路基坡面浅层或降雨初期的水分扩散迁移影响较大，而晴雨交替却对路基深层或长期的水分扩散迁移产生重要影响；长期晴雨交替时的水分扩散迁移速率远大于连续降雨渗透时的水分扩散迁移速率。由此说明：晴热天气的阳光照射会加速路基土中水分的扩散迁移。路基土水分的水平方向扩散迁移是引发高填方路基含水率升高及路基软化的主要原因，提高压实度能够显著减小路基土中水分的扩散迁移速率。
5) 边坡的坡度越缓，雨水入渗后的水分扩散迁移距离增加及含水率变化越明显，因此，提高填方路基坡度能显著减少雨水入渗及水分扩散迁移对路基含水率的不利影响。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2015-01-11；修回日期：2015-03-11
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51178063); 湖南省科技计划项目（2014FJ3068）(Project(51178063) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014FJ3068) supported by the Science and Technology Planning Project of Hunan Province)
通信作者：王桂尧，博士，教授，从事岩土和隧道工程研究；E-mail：wanggy688@163.com
