不同干密度对兰州地区黄土毛细吸水影响的试验研究

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(兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000)

甘肃省兰州市广泛分布有Q3黄土，深度较大，近年来，随着西部大开发战略的推进以及兰州城市建设的迅速发展，兰州地区的工程建设逐步向南北两山的皋兰山、徐家山、五一山、白塔山、九洲台等土地开发区扩展，同时也向榆中、皋兰地区的市区外围卫星城发展[1]。因此，这就意味着许多交通工程将穿越黄土覆盖区，黄土成为这些地区的主要路基材料。修筑在地表的路基受地下水的作用是一个长期反复的过程。进入基础内部的水分会严重危害公路的使用性能，滞留在基础内部的水分是导致公路破坏的主要因素之一[2-3]。特别地，在黄土地区，水分入侵是导致黄土路基不均匀沉陷的主要原因[4]。地下水对路基的影响，其本质是非平衡基质势与毛细效应引起水分迁移后土体强度发生了弱化[5]。地下水上升缩短了毛细作用路径，加快了毛细水对基础土水的补给，水分的增加，将诱使黄土路基产生病害[6]。因此，本文以兰州地区青白石乡的黄土为试样，探究其不同干密度状态下地下水分毛细上升的规律，其是有效分析和治理路基病害的根据，该地区尚未见相关研究报告。

1 试验材料与方法

本次试验用到的黄土取自甘肃省兰州市青白石乡，关于黄土的基本物理性质指标，如表1所示。

图1 黄土毛细吸水试验

试验采用的黄土试样为重塑土，将取得的黄土过2mm筛，在105℃的烘箱中烘干24h，通过计算称取合适的质量，制得10%含水率下不同干密度(1.5、1.6、1.7)的φ38×80 mm的圆柱试样，每组3个试样。在试样上标注刻度，刻度间距0.5 cm，并用保鲜膜包好，进行编号。

进行毛细吸水试验前，在试样表层涂抹一层凡士林用作隔水层，吸水端面不涂。随后将试样轻置于透水石上，开始计时，每间隔一定时间读取水位上升高度，如图1所示。待水分到达顶端后，切除试样两端各0.5cm，随后按照图1所示切割试样，将试样分为7份，测量其含水率。

表1 黄土的基本物理性质指标

2 试验结果分析

通过对3组不同干密度的黄土试样进行毛细吸水试验，得到了关于毛细水上升高度H与时间t的关系，试样高度h与含水率的关系。

2.1 毛细水上升高度与时间的关系

试验中发现，在前段时间，水位上升很快，随着时间增加，水位上升速度变慢，最终在60 min后到达顶端。具体曲线如图2所示。图中曲线的斜率表示毛细水从试样底部向顶端运移的速率。从图中可以看出，曲线在前5 min近似垂直，说明在5 min内，吸水速度非常快，在5～45 min内，曲线斜率逐渐减小，曲线变平缓，毛细水上升速率变慢，最终在60 min时到达顶端。

为了研究不同干密度对毛细水上升的影响，取3种干密度下的上升高度的平均值进行对比，如图2d所示。从图中可以明显看出，干密度越大，毛细水升高速率越慢，到达顶端所需的时间越长。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.87%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3种干密度对比

2.2 试样高度与含水率的关系

在毛细吸水试验结束后，将试样均分为7份，分别测量其含水率ω，得到了在不同位置试样的含水率分布情况，如图3所示。底部含水量最大，试样高度越大，含水量越低。从图中可以看出，在0～4 cm内，含水率变化很大，4～8 cm内，含水率变化较小。说明毛细水在试样的中下部作用比较强烈，随着高度增加，毛细作用减弱。毛细作用由强变弱的主要分界线为试样中部4 cm处。

图3d反映了不同干密度下，含水率在试样中的分布情况。由图可知，干密度越大含水量越小，说明孔隙度决定了毛细作用的大小。

a ρd=1.5 ω=10.12%；b ρd=1.6 ω=9.97%

c ρd=1.7 ω=10.05%；d 3种干密度对比

3 讨论

为了定量分析干密度对毛细上升高度的影响，利用Matlab分别对不同干密度下的试验结果进行拟合，得到的拟合结果列于表2。

表2 毛细上升高度与时间的拟合关系

由表2可以看出，通过拟合得到的曲线形式为y=alnbx+c。其中a近似于试样的干密度，c可以认为是体积常数，在本次试验中，试样的尺寸为φ38×80 mm，相应的c值在0.52～0.63内变化。参数b随着干密度的增加逐渐减小。由此可以推测出本次试验黄土的毛细吸水与干密度的经验关系式：

H=ρdlnbt+cv

(1)

其中，ρd为试样的干密度；b为试验常数；t为毛细作用时间(min)；cv为与尺寸有关的体积常数，

本次研究的试样取值为0.52～0.63。

4 结语

通过对3组不同干密度的黄土进行毛细吸水试验发现：

(1)随着黄土试样高度的增加，毛细作用逐渐减弱。相同含水率下，干密度越大，毛细水上升速率越慢，水分到达顶端所需的时间越长；

(2)试样底部的含水率最高，在0～4 cm内，含水率变化幅度较大，在4～8 cm内，含水率变化幅度变小。干密度越大，含水率越小；

(3)毛细吸水主要作用在试样的中下部，上部的毛细作用比较微弱。

[1]张森安，刘若琪.兰州地区大厚度湿陷性黄土场地岩土工程问题[J].工程勘察.2006(增):344-347.

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