风积砂水分迁移试验研究.docx

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风积砂水分迁移试验研究

风积砂水分迁移试验研究（毛雪松侯仲杰孔令坤）

时间：

2010-04-2110:

56:

00

来源：

《水利学报》2010年2月

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摘要：

为了研究水分在风积砂中的迁移规律，以不同初始含水率、不同干密度的陕北风积砂为研究对象，在不损坏试样的前提下在试验室进行含水率的实时监测。

分析了风积砂内部含水率、渗透强度的时空变化规律，得到了土水特征曲线，揭示了风积砂的水分迁移特征。

研究表明：

在等温条件下，基质势和重力势是风积砂中水分迁移的主要动力；同一干密度下、不同初始含水率的风积砂中由于基质吸力引起土体中水分迁移的湿润锋高度相同，补水量随着初始含水率的增大而减小，渗透强度随着初始含水率的增加呈现递减趋势；风积砂土水特征曲线的分布包含饱和段、过渡段和不变段，其中同一干密度土样的曲线的饱和段水分分布规律基本相同，过渡段内水分变化梯度存在较大差异，水分变化梯度随初始含水率的增大而逐渐减小；对于不同干密度的风积砂，在相同初始含水率下，补水量和渗透强度随干密度的增加而减小，毛细水上升高度随着干密度的增加而增大。

关键词：

水分迁移；迁移动力；渗透强度；土水特征曲线

中图分类号：

TV411.4文献标识码：

A 文章编号：

0559-9350（2010）02-0142-06

Experimentalstudyonmoisturemigrationofwind-blownsand

MAOXue-song1，HOUZhong-jie1，KONGLing-kun1,2

（1.Chang’anUniversity，Xi’an710064，China；

2.HighwayConstructionGroupofShandongProvince,Jinan250012，China）

Abstract：

Themigrationcharacteristicsofthemoistureinwind-blownsandsamplescollectedfromthenorthofShanxiprovincewerestudiedinlaboratory.Realtimewatercontentinthesesampleswithoutbeingdestroyedweremonitoredunderdifferentinitialwatercontentanddifferentdrydensity.Thespatiotemporaldistributionoftheinsidewatercontentandtheinfiltrationintensitywereanalyzed.Thecharacteristicscurveofthesoil-waterwasderivedandthemigrationcharacteristicsofthemoisturehavebeendiscovered.Theexperimentalresultsshowthatthematricpotentialandthegravitypotentialarethedominantfactorstopropelthemoisturemigrationunderisothermalcondition.Theheightofthewettingfrontofthemoisturemigrationinthewind-blownsandwiththesamedrydensityanddifferentinitialwatercontentarenearlythesame，duetothematricsuction.Thesupplywatercontentdecreasedwiththeincreasingoftheinitialwatercontent.Theinfiltrationintensityofthewind-blownsanwithdifferentinitialwatercontentisalsodecreasedwiththeincreasingofinitialwatercontent.Thecharacteristiccurveofthesoil-waterinthewind-blownsandareconsistedofthreestages:

saturationstage，transitionstageandinvariantstage.Thedistributionlawisbasicallythesameinthesaturationstage.Thereisgreatdifferenceatthemoisturegradientinthetransitionstage，andthemoisturegradientdecreaseswiththeincreasingoftheinitialwatercontent.Withthesameinitialwatercontentanddifferentdrydensity，boththesupplywatercontentandtheinfiltrationintensityofthesamplesdecreasedwiththeincreasingofthedrydensity.Therisingheightofthecapillarywaterinthesamplesenlargedwiththeincreasingofthedrydensity.

Keywords：

moisturemigration；migrationforce；infiltrationintensity；characteristiccurveofthesoil-water

1研究背景

土体是由多相介质组成的非连续体，其孔隙中存在气、液介质，当孔隙连通时，土体中水分会在不平衡的势能下发生迁移。

土体中的水分及水分迁移会引发许多工程和环境问题［1-2］，水分的改变会影响土体本身强度及变形性质；孔隙水压力的变化会改变土中有效应力；渗流产生的渗透压力将影响土坡的稳定。

对土体内部水分的变化过程进行研究，正确预测土体性质的改变、合理选用设计参数，对保证工程稳定性有着重要的意义［3-5］。

在水分迁移的研究方面，徐学祖等［6］分别进行了封闭系统正冻土、已冻土中水分迁移试验和开放系统非饱和正冻土水分运动的测试；李述训等［7］对土体冻结过程及融化过程中，气态水迁移与液态水迁移做了大量试验；王铁行等［8］针对温度影响下的非饱和土水分迁移进行了探讨；张树光等［9］针对辽西地区冻结风积砂水分迁移进行了研究。

可以看出，这些研究大多集中于冻土，水分迁移动力研究从最初的直接迁移理论向间接（耦合）迁移理论过渡，前者以毛细力、液体内部的静压力及结晶力等14种经典假说为代表；后者是针对冻土或季节冻土考虑热力学和化学势能综合作用的水热迁移。

在道路工程中，地下水是影响路基内部含水率不均匀集聚，致使土体强度不均匀变化，引起路基产生不均匀变形、裂缝等病害的重要因素之一［10-11］。

目前关于非冰冻土体水分迁移动力及水分入流通量模型的预测等方面鲜有报道。

为了分析地下水对土体中水分迁移特征的影响，本文针对陕北地区风积砂，在等温及试件底部补水条件下，应用水分采集设备在不破损土样的前提下进行了水分迁移测试，通过监测不同初始含水率和干密度下的土体内部含水率的变化过程，分析渗透强度及土水特征曲线的变化规律，揭示初始含水率、干密度对风积砂水分迁移特征的影响。

2试验方法

2.1试验土样土样采用陕北风积砂，根据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）［12］进行土体的颗粒分析试验，该土体的粒径级配累计曲线如图1所示；不均匀系数Cu为2.24；根据土体的土组分类标准可知土质为细砂，如表1所示；风积砂土粒密度为ρs=2.65g/cm3。

图1土体的粒径级配累计曲线

表1土组分类标准及其分类

2.2试验装置及试验方法水分迁移测试系统是由有机玻璃制成的土柱试模、透水板、水分传感器、水分采集设备、马利奥特瓶补水装置等部件构成（如图2所示）。

土柱高65cm、直径20cm；土柱内部每隔5cm埋置一水分传感器，共埋设12只；补水装置采用马利奥特瓶衡定补水液面高度，控制补水的水头高度与土柱底部齐平，避免水分在水头压力差的作用下发生迁移，模拟地下水的上升过程；应用时域反射水分采集设备（6050X1trasesystem）实时监测土体内部水分的变化。

为了分析初始含水率、干密度对水分迁移特征的影响，在3种干密度下，分别配置8种不同初始含水率、不同初始干密度的土样，如表2所示（文中所提含水率均为体积含水率）。

表中干密度略有差异是由于配制土样的误差所致。

图2水分迁移测试装置

表2土样配置参数

将拌和好的土样经过4h闷料，使其含水率基本达到均匀后，分层装入试模中，经击实使其达到预定的密实状态，同时将水分传感器预埋在指定位置，最低的水分传感器距底部透水板的距离为5cm，最高的水分传感器据顶部透水板的距离为5cm，将水分传感器连接至水分采集设备。

试件制好后，放置24h后，由马利奥特瓶经试件底部透水板进行补水，应用水分采集设备实时监测土体内部的含水率，由马利奥特瓶水位下降的多少确定补入水量。

在24h以内，若马利奥特瓶水位下降小于1mm，且水分传感器测试值在±1%范围内变动，认为补水结束，试验达到终止状态。

3试验结果分析

3.1土体内部水分变化过程为了得到试件在底部补水过程中含水率的变化规律，以干密度基本相同的土样为对象进行分析。

由不同时刻风积砂内含水率的变化曲线（图3）可以看出：

初始体积含水率不同的风积砂土体内部含水率时空变化规律大致相同。

图3中土体初始含水率测试结果并非全部均匀，存在一定的差异，这是由于土样拌和、装样及水分传感器的测试误差所致。

补水湿润锋面随补水时间的增长由试件的底部逐渐向顶部移动，土体的含水率也逐渐增大，终态时刻（120h）土柱中的含水率由底部向顶部逐渐减小。

分析其原因：

由于基质势和重力势是风积砂中水分的主要迁移动力，土体中水分之所以会发生迁移，是土体中基质势与重力势不平衡的结果，土体中的水分总是由势能高的一侧向势能低的一侧迁移。

以试件底部为重力势能零基准面，向上为正，则土中任一点水的重力势能均是正值；基质势则是指土体对水分吸持作用的大小，用负水头表示。

当基质势的绝对值大于重力势时，则砂中的水分就呈上升趋势，体现在湿润锋面向上移动；当基质势的绝对值与重力势相同时，即基质势与重力势达到平衡时，水分不再上升，水分迁移终止。

从图3还可以看出尽管风积砂的初始含水率不相同，但土体内部含水率均在短时间内发生较大变化，图中4h与120h（终态）的含水率随土柱高度的变化曲线相差较小。

图3不同时刻风积砂内含水率的变化曲线

3.2试件补水量的变化规律结合风积砂补水量时变曲线（图4）可知，各土样的补水量变化曲线趋势基本相同，随着补水时间的增长，补水量逐渐减小，最大差异是在补水后1h内，在初始1h内土柱内的补水量约为终态总补水量的70％，在初始4h内土柱内的补水量约