工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1265-1271   (#KB#)    
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  • 收稿日期:2018-05-28
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    何陇霞
    王旭
    张延杰
    李建东
    尉晨煜

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    何陇霞, 王旭, 张延杰, 等. 2018. 非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究[J]. 工程地质学报, 26(5): 1265-1271. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018111.
    HE Longxia, WANG Xu, ZHANG Yanjie, et al. 2018. Model test study on steam diffusion law of unsaturated loess[J]. Journal of Engineering Geology, 26(5): 1265-1271. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018111.

    非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究
    何陇霞①②, 王旭, 张延杰, 李建东①②, 尉晨煜    
    ① 兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070;
    ② 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室 兰州 730070
    摘要:黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。
    关键词非饱和重塑黄土    水蒸气扩散    温度运移    含水率    
    MODEL TEST STUDY ON STEAM DIFFUSION LAW OF UNSATURATED LOESS
    HE Longxia①②, WANG Xu, ZHANG Yanjie, LI Jiandong①②, YU Chenyu    
    ① School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070;
    ② National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou 730070
    Abstract: The moisture content of loess have a significant influence on the strength of the soil. It changes with the cyclic change of moisture content, which leads to a series of diseases. In order to study the diffusion and migration law of water vapor and temperature in unsaturated loess, we analyze the water vapor and temperature diffusion migration in unsaturated remolded loess through the indoor filling model test. We inject the high temperature and high pressure water vapor into the remolded loess. The experimental results show that in unsaturated remolded loess, the range of water vapor diffusion is approximately ellipsoid. The water vapor diffusion rate decreases gradually along the radial direction. The vapor diffusion rate, diffusion range and humidification degree can increase with the vapor pressure increase. Vapor pressure accelerates water diffusion and also the temperature migration. The heating rate of soil is about 0.75 ℃ ·min-1 when the pressure is 50 kPa and 1.12 ℃ ·min-1 when the pressure is 200 kPa. The greater the soil particle hinders the water vapor diffusion when the density of the soil is more larger. The hindrance is more obvious and the larger the water content decreases with the increase of the radial diffusion distance of the water vapor.
    Key words: Unsaturated remolded loess    Steam diffusion    Temperature migration    Moisture content    

    0 引言

    随着国家西部战略的推进,近年来黄土地区公路、铁路、机场、市政、水利等基础设施规模日益增多,工程项目修筑于浅层黄土之上或以黄土为环境介质,对保证可持续发展的工程建设环境提出了更高的要求。由于浅层土体暴露于大气环境中,受到诸如太阳辐射、蒸发、降水、风蚀等气候因素影响,使得非饱和土含水状态不断处于动态平衡变化中。黄土中温度的变化使得含水量发生变化,当含水量增大时,黄土强度降低(张苏民等,1992谢定义,2001)。造成变形不均匀,导致黄土路基、边坡、地基等出现一系列病害。

    土体对水蒸气的吸附作用在实际工程中有重要的影响,比如浅层滑坡的防治,因此研究土体与水蒸气的相互作用是很有必要的(陈琼,2013)。Kosmas et al. (2001)研究了半干旱条件下水蒸气吸附的影响因素,并开展了野外试验。俞缙等(2012)利用水蒸气吸附仪对天然膨胀土以及石灰改性膨胀土进行了水蒸气吸附试验,为研究膨胀土表面孔隙结构与其吸水性之间的关系提供试验依据。陈琼等(2013)对黄土坡滑坡滑带土在水蒸气吸附环境下的吸附特性,进行水蒸气等温吸附试验。

    非饱和黄土中热量和水分的扩散过程在工程领域广泛存在,也受到国内外学者的广泛关注。李萍等(2013)通过现场试验研究了降雨在黄土中影响深度,并推测水分在黄土深部的运移规律。朱丽娟等(2009)通过渗流模拟分析了降雨对非饱和黄土边坡含水量变化规律,并揭示了土体干密度、降雨历时对边坡稳定性的影响。刘奉银等(2008)分析了增湿路径对水气渗透系数测定值的影响。洪勃等(2016)通过饱和渗透试验研究了干密度和初始含水率对重塑马兰黄土渗透性的影响。Lam et al. (1988)刘小军等(2014)对等温条件下非饱和黄土水分运移规律进行了研究,并建立了饱和-非饱和土体水分扩散的有限元控制方程,探讨了水分迁移的影响因素。Cassel et al. (1969)李述训等(1995)先后对非等温条件下的水分迁移问题进行了研究。王铁行等(2004)研究了温度影响下非饱和黄土中含水率与土体密度的变化关系。李彦龙等(2016)研究了非饱和黄土在不同温度梯度下水分迁移规律,并建立了含水率梯度表达式。高玉佳等(2010)通过地温测试仪分析了温度对水分迁移的影响。陈善雄等(1993)对非饱和黄土的热湿迁移进行了数值模拟,得到了初始含水率和输入热功率变化对土壤热湿迁移影响的规律。杨金国等(1998)对蒸发状况下土壤中的热湿迁移进行了实验研究,分析了土壤中热湿迁移规律。张辉等(2015)通过室内试验,研究了冻结作用下非饱和黄土水分迁移规律,分析了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移的影响。赵刚等(2009)通过试验研究了初始含水率和温度对原状土冻融过程中水分迁移的影响。杨何等(2017)对三峡库区的滑坡堆积体进行了土-水特征研究,分析了滑坡堆积体的土-水特征曲线的影响因子。在非饱和土体水蒸气吸附与扩散研究方面,国外学者的研究较为深入,取得了一些有意义的结论和成果,而国内学者对相关问题的研究还较少,结合区域特色开展特殊土对水蒸气吸附与扩散特性的研究还亟须加强。

    考虑蒸发效应一直是农学、土壤学和气象学的范畴,但在岩土工程领域中,对土中水分蒸发问题的重视程度还远远不够,关于水蒸气这种特殊气体在非饱和黄土中的渗透、运移规律不十分明确,围绕该课题开展的研究还较少。本文通过室内模型试验,分析非饱和黄土中水蒸气扩散范围及温度变化速率,探究水蒸气在重塑黄土中的扩散运移规律。研究非饱和黄土水分的扩散规律,对规避含水状态变化对工程造成的危害具有重要的意义。

    1 模型试验设计
    1.1 试验仪器

    试验采用的仪器主要有:电热蒸气发生器,额定蒸发量为8 kg·h-1,额定蒸气温度152 ℃,蒸气压力可通过高温高压水蒸气调压阀控制(图 1)。蒸气扩散球,直径为40 mm,对称开2 mm蒸气扩散孔(图 2)。

    图 1 蒸气发生器 Fig. 1 The steam generator

    图 2 蒸气扩散球 Fig. 2 The steam diffuser

    1.2 模型填筑

    模型箱为上底直径60 cm,下底直径50 cm,高70 cm,四周密闭、上部敞口塑料桶,侧壁开孔,接入水蒸气输送管,端部连接蒸气扩散球,扩散球距桶底30 cm。试验所用土样为兰州重塑黄土,其基本物理性质指标见表 1,分层填筑模型的同时分层布置温度传感器,并控制土体密度,具体布置情况(图 3)。

    表 1 基本物理性质指标 Table 1 Index of basic physical properties

    图 3 温度传感器布置图 Fig. 3 Layout of temperature sensors a.温度传感器剖面布置图;b.温度传感器平面布置图

    1.3 试验工况

    (1) 控制土体含水率为8.0%,密度为1.65 g·cm-3,控制水蒸气气压为50 kPa。

    (2) 控制土体含水率为8.0%,密度为1.65 g·cm-3,控制水蒸气气压为200 kPa。

    (3) 控制土体含水率为8.0%,密度为1.60 g·cm-3,控制水蒸气气压为50 kPa。

    (4) 控制土体含水率为8.0%,密度为1.60 g·cm-3,控制水蒸气气压为200 kPa。

    每隔一定时间进行土体温度测试,待土体温度稳定后,在不同深度取样进行土体含水率测试,每层测试点布置见图 4

    图 4 含水率测试点平面布置图 Fig. 4 Plane layout of moisture content test points

    2 模型试验结果分析
    2.1 水蒸气压力对土体含水率与温度影响规律分析

    以土体密度为1.65 g·cm-3为例,向土体中通入不同压力的高温高压水蒸气,然后进行对比分析。

    2.1.1 含水率变化规律

    以水蒸气喷头所在的土体深度为基准,即此处的土体深度为0,以上的土体深度以正值计,水蒸气气头以下的土体深度以负值计,土体深度每隔7 cm,按所设计的点取样测每层的含水率。当水蒸气气压分别为50 kPa、200 kPa时,含水率变化规律见图 5~图 8

    图 5 气压200 kPa时不同深度处含水率变化规律 Fig. 5 Variation of water content at different depths at pressure 200 kPa

    图 6 气压50 kPa、200 kPa时不同深度处含水率变化规律 Fig. 6 Variation of water content at different depths at pressure 50 kPa and 200 kPa

    图 7 气压200 kPa时径向含水率变化规律 Fig. 7 Variation of radial water content at pressure 200 kPa

    图 8 气压50 kPa、200 kPa时温度随时间变化规律 Fig. 8 Variation of temperature with time at pressure 50 kPa and 200 kPa

    图 5所示气压为200 kPa时,每层土体各测点含水率沿深度的变化曲线。可以看出同一深度处,O点含水率最大,距O点11 cm的E、F、G、H测点和距O点22 cm的A、B、C、D测点的含水率几乎相等,说明水蒸气在重塑黄土中沿径向和深度方向是均匀扩散的。

    气压为50 kPa、200 kPa时每层土体距离O点0、11 cm、22 cm处平均含水率变化规律如图 6所示,可以看出沿两侧深度含水率逐渐减小。

    气压为50 kPa时,沿径向0~11 cm和11~22 cm的含水率递减速率分别为0.29%·cm-1和0.15%·cm-1。而气压为200 kPa时,沿径向0~11 cm和11~22 cm的含水率递减速率分别为0.32%·cm-1和0.17%·cm-1。从中可以看出,在相同的气压下,水蒸气沿径向运移时,受到土体颗粒的阻碍作用,运移速率逐渐降低。气压为50 kPa,O点处含水率大于14%的扩散深度为- 10~+ 10 cm,而气压为200 kPa时,含水率大于14%的扩散深度为- 16~+ 14 cm,范围扩大了50%(如虚线)。此外,沿径向气压为200 kPa的含水率递减速率比气压为50 kPa约大0.03%·cm-1,说明较大的气压可以增大水蒸气的运移速度,扩大水蒸气的运移范围。

    气压为200 kPa时每层土体含水率沿径向的变化规律如图 7所示。可以看出沿径向和深度方向含水率逐渐减小,含水率变化规律接近椭球。0 cm土层由初始含水率8.0%增大到最大含水率为17.3%、接近土体最优含水率17.5%。±28 cm土层的最大含水率约为9.6%,最小含水率约为8.2%,沿径向含水率变化曲线接近一条直线,说明运移到该土层的水蒸气较少。则该蒸气压梯度下水蒸气的扩散范围为28 cm。

    2.1.2 温度的变化规律

    当水蒸气气压为50 kPa、200 kPa时,每层温度传感器所对应的土体温度随时间的变化对比见图 8

    图 8可以看出,气压为50 kPa时传感器2-1在40 min后温度开始升高,120 min时温度趋于稳定,升温速率约为0.94 ℃·min-1。气压为200 kPa时传感器2-1温度在短时间内迅速升高,60 min后趋于稳定并达到最大值,升温速率约为1.26 ℃· min-1,较50 kPa提前60 min达到稳定,升温速率增大0.32 ℃·min-1。可以看出,水蒸气气压对重塑黄土中温度扩散速率有较大的影响,蒸气压加速水分扩散的同时,加速了温度的运移。气压为50 kPa传感器1-1的升温速率约为0.75 ℃·min-1,较2-1升温速率降低0.19 ℃·min-1。同样可知200 kPa时传感器1-1的升温速率1.12 ℃·min-1,较2-1升温速率降低0.14 ℃·min-1。其原因是沿距离增大,在土颗粒的阻碍作用下温度扩散速率降低。

    2.2 土体密度对含水率与温度影响规律分析

    水蒸气气压为50 kPa时,土体密度对含水率与温度的影响规律见图 9图 10

    图 9 密度1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3不同深度处含水率变化规律 Fig. 9 Variation of water content at different depths of density 1.60 g·cm-3 and 1.65 g·cm-3

    图 10 密度1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3时温度随时间变化规律 Fig. 10 Variation of temperature with time of density 1.60 g·cm-3 and 1.65 g·cm-3

    2.2.1 含水率的变化规律

    分别将土体密度为1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3时所测每层土体的O点含水率和距O点11 cm、距O点22 cm的平均含水率沿深度的变化规律进行对比(图 9)。可以看出从0向两侧深度处含水率呈递减状态。同一深度的土体,距O点半径相同时,密度为1.60 g·cm-3的含水率比1.65 g·cm-3的大,例如在+14 cm处,密度为1.60 g·cm-3时含水率最大值为14.5%,最小值为9.9%,而密度为1.65 g·cm-3时含水率最大值为13.7%,最小值为8.7%,含水率平均提高了9.8%。

    此外,深度0处,土体密度为1.60 g·cm-3时,O点、距O点11 cm、距O点22 cm处的含水率分别为16.8%、14.7%、12.3%,而密度为1.65 g·cm-3时,3点含水率依次为16.2%、13.6%、11.0%,分别减小0.6%、1.1%、1.3%。可以看出,随着密度增大同一测点的含水率减小,且径向距离越大,减小的量值越大。其原因是土体密度越大,土体孔隙率越小,水蒸气扩散时受到的阻碍越大,沿径向距离增大,阻碍作用越显著。

    2.2.2 温度的变化规律

    土体密度为1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3时温度随时间的变化曲线如图 10所示:

    图 10可以看出,密度为1.60 g·cm-3时,传感器1-2温度从一开始缓慢升高,140 min时温度基本趋于稳定,升温速率约为0.48 ℃·min-1。而密度为1.65 g·cm-3时,在最初时刻传感器1-2温度变化不明显,在80 min时温度迅速升高,160 min时基本趋于稳定,升温速率约为0.68 ℃·min-1,升温速率增大0.2 ℃·min-1。其原因是,密度增大,对水蒸气扩散的阻碍作用增强,在初始阶段密度较大的温度扩散范围较小。但是土体密度越大,土骨架越紧密,传热效果越明显。

    3 结论

    (1) 在非饱和黄土中通入高温高压水蒸气时,水蒸气扩散范围近似为椭球形。

    (2) 水蒸气沿径向运移时,受到土体颗粒的阻碍作用,运移速率逐渐降低。较大的气压可以增大水蒸气的运移速度,扩大水蒸气的运移范围。

    (3) 水蒸气气压对重塑黄土中温度扩散速率有较大的影响,蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移。试验发现,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃·min-1

    (4) 土体密度越大,土骨架越紧密,孔隙率越小,水蒸气扩散时受到的阻碍越大,沿径向距离增大,阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。在初始阶段密度较大的温度扩散范围较小,传热效果越明显。

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