用于非飽和黃土的蒸汽增濕方法

1不同含水率原狀黃土土樣的增濕試驗研究洛杉磯高原是干旱的半干旱地區。大部分項目用地處于非飽和狀態，屬于非飽和土壤。由于黃土水敏性強,降雨、管道漏水入滲和凍結等情況引起非飽和黃土含水率的增加,會導致黃土強度和變形指標發生變化并導致工程病害發生。在實際工程中,經常需要知道含水率變化導致的黃土強度和變形指標的變化,為此需采取原狀黃土進行不同含水率水平下的試驗研究。因為現場同一土層(土性可認為相同)原狀黃土含水率差別較小,很難取出土性相同而含水率不同的原狀土樣,試驗時需人工增濕配制不同含水率的原狀黃土土樣。目前對土樣增濕的方法有預濕法和掩埋法,這兩種方法增濕時間均較長,增濕時間超過24h仍經常發現土樣中部硬核存在(增濕不均勻),因此,需對更為有效的黃土增濕方法進行探討,以期得到快捷有效的增濕方法。本文擬就含水率變化對原狀黃土凍融強度的影響開展研究工作,為此,首先對增濕方法和含水率測試方法進行比較研究,然后,利用增濕得到的不同含水率黃土土樣,考慮含水率的影響,就凍融引起的黃土強度變化問題進行研究,解決這一問題是對黃土地區窯洞和隧道洞口凍害、水渠凍害、路基路面凍害等進行系統分析的基礎。對黃土凍融強度問題已有研究文獻[8-13]進行揭示,但考慮含水率影響的非飽和原狀黃土凍融強度問題的研究文獻尚缺乏,本文就此問題開展試驗研究,期望得到規律性的認識。2增濕均勻性的試驗增濕的目的是使土樣含水率增加,而含水率的增加應該是均勻的,因此增濕后水分擴散均勻的時間是增濕方法最需要探討的,其次還需要保證增濕并不改變土體的結構,僅僅是含水率增加。為了滿足這一要求,現有的預濕法和掩埋法均需要較長時間。筆者對非飽和黃土的試驗表明,預濕法增濕時間一般長于24h,掩埋法增濕時間一般長于一周,土體含水率越低,土樣尺寸越大,增濕時間相應延長。在滿足增濕各項要求的前提下,為了縮短增濕時間,提高試驗效率,本文提出蒸汽增濕的方法。蒸汽增濕的設想是將土樣放入家用普通高壓鍋,利用高壓鍋提供水蒸氣,高溫水蒸氣易于擴散進入非飽和土孔隙,然后將土樣從高壓鍋取出,土樣冷卻后水蒸氣凝結成水,達到增濕的目的。試驗時,若高壓鍋壓力閥門打開,則水蒸氣處于無壓狀態(相對于大氣壓)。若高壓鍋壓力閥門關閉,則水蒸氣處于高壓狀態(試驗用高壓鍋為1.8個大氣壓)。無壓狀態不會影響土體結構,但高壓是否對土體結構產生影響,則是一個需要考慮的問題。根據非飽和土的軸平移技術,通過壓力室對非飽和土施加高氣壓,測得的基質吸力值是一樣的,并不改變土體結構。基于此,本文認為,施加高壓水蒸氣也不會改變非飽和土結構,但適用于非飽和土處于氣連通狀態,具體情況需試驗驗證。蒸汽增濕試驗步驟為:取非飽和原狀土樣,放入壓力鍋,水蒸汽增濕,土樣保鮮膜封閉,放入保濕缸冷卻靜置,然后測試土樣含水率和密度。以蒸汽增濕前后土樣密度是否發生變化來判斷是否對土體結構產生影響,以增濕后土樣表面和中心含水率之差來判斷增濕的均勻性。蒸汽由高壓鍋獲得,利用高壓鍋可對環刀土樣進行加壓(1.8個大氣壓)與不加壓蒸汽增濕的試驗探討。土工試驗規程DT—82規定:采用烘干法測試含水率,若含水率小于10%,則允許平行差值為0.5%;若含水率在10%和30%間,則含水率測試的平行誤差不超過1%。參照這一標準,本文取土樣表面和中心含水率之差不大于0.5%作為衡量土樣增濕均勻性的指標。首先試驗探討土樣在高壓鍋內蒸汽增濕時間長短的影響,采用無壓增濕方式,試驗結果如表1所示。從測試結果可以看出,在無壓情況下,分別蒸汽增濕5、10、15、和20min,增濕均勻性均滿足要求,增濕后測得土樣的含水率基本相同,蒸汽增濕時間長短(大于5分鐘)對增濕效果的影響不大,為了統一試驗標準,蒸汽增濕時間取10min。再探討蒸汽壓力對增濕的影響,試驗時高壓鍋壓力閥門的打開和關閉,分別對應水蒸氣無壓狀態和高壓狀態(1.8個大氣壓),試驗結果如表2所示。從試驗結果可以看出,蒸汽壓力對增濕量影響較大,壓力越大,增濕后的含水率越大,土樣增濕量越大。壓力越大,水蒸氣濃度越大,擴散進入土體孔隙的水分越多,冷卻凝結水越多,增濕量越大,試驗結果也驗證了這一點。蒸汽增濕前后對干密度的測試結果表明,含水率較小時,高壓蒸汽對土樣結構無影響,但含水率較大使氣相不再連通時,高壓蒸汽對土樣結構有影響。因此,采用高壓增濕時,應同時檢測土體密度變化。簡單起見,一般可采用無壓增濕方式。高壓鍋蒸汽增濕后,將土樣用保鮮膜封閉后放入保濕缸冷卻靜置,最后測試含水率。因土樣自外而里逐漸冷卻,冷卻過程因土樣存在溫度差,可導致水分運動使土樣含水率不均勻。因此,土樣冷卻后在保濕缸應再靜置一段時間使土樣含水率分布均勻。合適的靜置時間應通過試驗確定。無壓增濕試驗結果如表3所示。從表中可以看出,靜置時間越長,土樣含水率分布越均勻,靜置8h即可保證土樣含水率分布是均勻的。表1和表2亦為靜置8h的測試結果。進一步探討土樣初始含水率對增濕效果的影響,取不同初始含水率土樣進行了蒸汽增濕試驗,試驗結果如表4所示。試驗采用無壓蒸汽增濕,鍋內蒸汽增濕10min,靜置8h。從表中可以看出,雖然初始含水率不同,但試驗結果均滿足增濕均勻性要求。但初始含水率越大,增濕后的含水率增加值越大,其機理可能與高溫水汽加熱土樣過程驅使液態水運動有關,有待進一步研究。將增濕率(增濕后的含水率增加值)和初始含水率進行對比分析,可以發現,采用無壓蒸汽對非飽和黃土增濕,每次的增濕率約為初始含水率的20%。試驗結果表明了蒸汽增濕法的有效性。相對于現有的預濕法和掩埋法,蒸汽增濕法大幅縮短了試驗時間,增濕后土樣水分均勻性較好,用于對非飽和黃土增濕是成功的。蒸汽增濕每次增濕量是一定的,若需增濕量較大時,可采用鍋內多次增濕的方法,即鍋內增濕—冷卻—鍋內增濕—冷卻—靜置的方法,鍋內增濕—冷卻的時間30min即可,因此,多次增濕并不會大幅他增加試驗時間。必要時,可先給土樣表面滴水,在蒸汽增濕。在保證原狀黃土結構不變的情況下,采用蒸汽增濕法可得到不同含水率的非飽和黃土土樣,為研究或確定含水率變化導致的土性指標變化提供試驗土樣。雖然此方法得到的土樣含水率值事先不能嚴格控制,但可以得到不同含水率的系列土樣,可以滿足試驗研究對不同含水率土樣的需要,增濕后土樣含水率值需實測確定。本文采用增濕土樣,對含水率變化導致的黃土凍融強度變化問題進行研究。為了含水率測試工作的便利高效,首先對含水率測試方法進行探討。3微波法和酒精燃燒法測定含水率的對比在非飽和黃土增濕試驗和其它土工試驗中,經常需要測試土體含水率。含水率測試方法較多,目前烘干法被認為是標準的測試方法,但實際工程中為了測試的簡便快捷,酒精燃燒法和微波爐法已有較多的應用。但酒精燃燒法和微波爐法的精度問題尚難見文獻,為使用者造成困擾。為了得知微波爐法和酒精燃燒法測定含水率的準確性,對烘干法、酒精燃燒法和微波爐法等3種方法進行了對比測試。烘干法和酒精燃燒法按照規范方法進行,微波爐法是普通家用微波爐的烘烤檔位對試驗土樣烘烤20min。土樣選用高、低兩種含水率非飽和黃土土樣,測試結果如表5、6所示。從測試結果可以看出,酒精燃燒法測試結果最小,微波爐法測試結果居中。若以烘干法測試結果為標準,以規范誤差0.5%作為控制標準,則酒精燃燒法在較高含水率時不滿足精度要求,微波爐法在幾種含水率下的測試結果均滿足精度要求。由于微波爐法使用普通家用微波爐,設備分布廣泛,也易于攜帶,操作方便,測試時間相對于烘干法大幅縮短,實際工程應用特別是現場實測中,可采用微波爐法測試含水率,測試結果是可靠的。4凍融循環對非飽和黃土土樣抗剪強度的影響取蒸汽增濕法得到的不同含水率的非飽和原狀黃土土樣,凍融后進行直剪試驗,測定其抗剪強度指標,基于測試結果分析含水率對原狀黃土凍融強度的影響。試驗用原狀黃土干密度為1.35g/cm3,試驗中采用微波爐法測定含水率。就定性分析而言,非飽和黃土經歷凍融循環會對其強度產生影響,但高含水量黃土和低含水量黃土在此方面的反映應有所不同。首先探討凍融對低含水率黃土強度的影響。非飽和原狀黃土土樣含水率為9%。先將非飽和黃土土樣放入凍結室凍結,然后取出融化后進行直剪試驗,測定土的抗剪強度指標。試驗時,考慮了凍結溫度和凍融次數的影響。試驗結果如表7所示。從表7可以看出,含水率為9%時,凍融作用對黃土的黏聚力值基本沒有影響。經歷凍融循環后黃土內摩擦角值較凍融前有小幅增加,凍結溫度越低,增加值越大,但凍融循環次數對此幾乎無影響。再探討凍融對高含水率黃土強度的影響。試驗用原狀黃土通過蒸汽增濕得到含水率分別為21%、24%和28%的土樣。然后分別取各個含水率的非飽和黃土土樣測定土的抗剪強度指標,凍結溫度均為-9℃。試驗結果如圖1~2所示。圖1~2顯示出,當非飽和黃土含水率較高時,經歷凍融循環后黃土黏聚力值較凍融前降低,內摩擦角值較凍融前增加,隨著凍融循環次數的增加,黏聚力降低值和內摩擦角增加值越大。同樣,隨著含水率的增加,非飽和黃土粘聚力明顯降低,但內摩擦角值幾乎不變。非飽和原狀黃土凍融前后出現黏聚力值降低而內摩擦角增加的現象,這一現象在文獻對超固結重塑土的研究中也曾出現。文獻經電鏡掃描揭示出,土樣在凍融循環之后大孔隙所占的比例下降,土顆粒間的接觸點增多,從而引起土樣內摩擦角的增大;而黏聚力的降低則是由于冰晶的生長破壞了土顆粒間聯結所引起結構弱化所致。此種解釋是否適用于非飽和原狀黃土有待進一步探討,從感性認識而言是可以的。5含水率測試結果分析本文提出了用于非飽和原狀黃土增濕的蒸汽增濕方法,并給出了蒸汽增濕試驗步驟,通過對比試驗分析確定了適宜的試驗參數,從增濕后水分分布是否均勻、土體密度是否改變等方面論證了蒸汽增濕方法的有效性。對含水率的測試結果表明:(1)微波爐法測試結果能滿足精度要求,酒精燃燒法在測試較高含水率時誤差較大;(2)進一步應用蒸