关于非饱和土路基毛细作用相关问题的概述

关于非饱和土路基毛细作用相关问题的概述徐翔（资源与地球科学学院地质工程12-7班）【摘要】随着近些年国民经济的迅猛发展，我国在社会的方方面面都取得了长足的进步，与此同时，越来越快速的发展也对我国的基础设施建设提出了更高的要求。其中，公路铁路等国作为民经济的“血管”更是重中之重。为此，本文通过阅读总结相关文献，通过介绍非饱和土，毛细水等相关概念，描述非饱和土中毛细水对公路铁路路基产生影响的作用机理，评判标准，介绍毛细水对路基的破坏形式，分析其影响因素，希望能找出行之有效的措施将非饱和土中毛细水对路基的破坏减小，为我国将来更多的公路铁路建设提供帮助。【关键词】非饱和土毛细水路基破坏治理措施【正文】1.相关概念介绍一般认为土壤由固相（土壤颗粒）、液相（土壤水）和气相（土壤所含气体）三相构成，在土壤颗粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例为百分之百时该土壤称之为饱和土。反之，土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100时但大于0时，该土壤为非饱和土。而毛细水指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分。我们知道在水一气分界存在表面张力，即收缩膜内的水分子有一指向水体内部的不平衡力的作用，液面呈现内凹的形状。为保持平衡，收缩膜内必须产生张力。其作用方向与收缩膜表面相切，加上水有浸湿接触土壤的倾向，因而水在表面张力的作用下向上运动。在向上运动过程中，流动通道的直径需要小到一定程度才能进行，因而称之为毛细作用。在上升过程中，水柱越来越高，其自身重力也越来越大，当水柱自身重力与水分表面张力相等时，毛细水停止上升，其高度达到最大。在现代公路建设中，路基一般都是采用人工填土然后机械压实的施工方法，因而路基填土大都属于非饱和土，且其空隙细小而密集，毛细现象发育。在土中基质吸力的作用下，地下水可通过毛细作用不断浸润路基，增加路基湿度。尤其当地下水位上升时，缩短了毛细作用的路径，加快了毛细作用对路基土中水的补给，从而使路基湿度增加，导致路基湿软，一方面使路基强度降低，另一方面，饱和的路基土体由于残余孔隙水压力消散产生的固结变形，使路基残余变形增大，从而加速路面结构的损坏。此外，在一些特殊环境中毛细水的存在还会带来诸如盐渍化，冻胀，滑坡及黄土地段的湿陷等各种破坏。2.毛细水最大上升高度研究通过阅读相关文献，我总结出以下两种比较被认可的关于地基土中毛细水最大上升高度的计算公式。（1）以达西定律为基础，经过一系列积分可以得到公式式中Ts为水的表面张力;σ为水与固体的接触角;dm、为毛细管直径;ρ为水的密度;为重力加速度;hc为毛细水上升最大高度。（2）经验法：工程上对砂土的毛细最大上升高度有如下经验公式式中，d10为有效粒径;n为孔隙率。3.影响因素分析(1)初始含水量的影响路基在填筑之前需要对路基填土进行击实试验，以获得填土的最大干密度及最优含水量，进而据此进行路基的填筑。基于此，下图给出了不同初始含水量下的路基湿度变化对比曲线。分析表明，由于初始含水量较小时，路基填土的初始孔隙压力较大，因而毛细水上升的驱动势也越大，路基湿度的变化量较大，毛细水上升高度随之也越大。当填土含水量为14%时，毛细水在100天的时间内己经上升到了路基顶面;而当填土含水量为18%时，毛细水在100天的时间内上升高度为3.05m左右。(2)饱和渗透系数的影响下图给出了不同渗透系数的路基湿度变化对比曲线。结果表明，随着渗透系数的增大，毛细水的上升速度也不断加大，在相同时间内的路基湿度变化量也逐渐增大。当饱和渗透系数为1.25*10（-9）m时，路面以下1m位置处的含水量为18.4%;当饱和渗透系数为6.25*10(-9)m时，路面以下1m位置处的含水量为20.9%。两种工况下相差了2.5%，可见不同的渗透系数下的路基毛细作用也有所不同，路基湿度变化也不同。(3)路基高度的影响从下图可以看出，当提高路基高度后，路基高度为3m时，整个路基湿度均产生较大变化;而当路基高度为7m时，路基上部土体湿度未发生变化，仅在近地下水的位置处，路基湿度变化明显。因此可以看出，在相同时间内，路基高度越高，路基总体湿度变化量越小，增加路基高度可以减小毛细作用对路基整体湿度的影响程度.(4)路基填土特性的影响由于公路修建地段的地质环境不同，因此路基填土的类型也不同，不同类型填土的毛细作用也不同，因此选择一般粉质黏土及典型黏土与膨胀进行对比析。由下图给出的不同填土路基的湿度变化对比曲线可以看出，由于粉质黏土的黏性较一般黏土和膨胀土要小，同时由于粉质黏土的渗透系数最大，因而毛细水上升高度最大，对路基湿度的影响也最大，路基顶而的湿度从初始的16%变化到21.2%。而一般黏土及膨胀土路基的毛细水上升高度较小，路基上部土体的湿度未发生变化。但对比可以看出，一般黏土路基的湿度变化量较膨胀土路基要大，而路基上部土体的湿度变化情况较为一致.4.治理措施介绍通过上述影响因素分析我们知道影响毛细水作用的关键因素是土质、水和外界环境。外界环境无法改变，因此可从土质的改善和水分隔断两个方面来考虑对处于毛细水强烈作用范围内且可能导致道路工程病害的提出相应的工程处置建议如下。1.土质改善原则上上质是不能够改变的，但加固和改善上质的方法有多种，这些方法可以有效地减小毛细水作用对路基的影响，以下三种为常见的改善土质的处理方法:（1）换土。可以适当的选择良好的土填筑路基，如砂土，其具有良好的透水性及较大的摩擦系数，毛细水的上升高度较小，修筑路基采用砂土的优点是水稳定性好、强度较高，但砂土易于松散，黏结性较小，因此可采用适量掺入黏性土的方法改善路基质量。也就是说可以选择毛细水上升弱的填筑土填筑路基，或者将毛细水上升强烈的土做部分置换。换土适用于处理旧路的局部翻浆，且路基有一定高度的路段，换填的材料最好是砂砾或炉渣，也可采用砂土。(2)打桩。为了加固土质，可按一定的间距在基床上做成桩孔，并将石灰、水泥或碎石等材料填掺在桩孔中。（3）稳定土。把石灰、粉煤灰、水泥等改性材料掺入地基土中后，其活性成分将与土相互作用产生火山灰反应和结晶构造，所形成得凝胶结构可以提高土的水稳定性、强度、内聚力和内摩擦角。土中一定量的水分可以通过石灰的结晶作用及与火山灰作用消耗掉，从而土的含水量下降2.水分隔断水的影响可分为大气降水和地下水，可以通过做好排水系统，及时将水排到远离道路路基的农田区等处的方法排除大气降水。地下水水位常年变动，因此，需要依据当地水文地质资料考虑最不利的地下水位，避免毛细水作用对路基造成的影响。目前常见的阻断毛细水迁移路径的几种处治方法如下。(1)提高路基高度依照实际工程情况提高路基高度，将位于路基上部的土层与地下水面或地表水面隔离开，应依据当地路基的土质、冻土的深度及水文状况来确定路基需要加高值，一般要保证路基呈干燥状态，并根据路基临界高度及最小填土高度确定方法而定，平原地区的土路及其他地区的容易取土路段适用这种方法。若当地只允许采用粉砂土进行填筑，由于毛细水作用强烈，此时仅仅提高路基高度不能防治翻浆病害，因此除了提高路基高度外，应采用砂垫层等方法进行综合治理。另外城镇街道、交叉口等位置不能使用提高路基高度的方法。（2）改善路面结构1)铺砂垫层增加垫层厚度、提高初始含水量以及级配的变差均增大毛细水的上升高度，其中级配对毛细水上升的影响较为显著，级配越差，其对水分的阻滞作用越大。防治翻浆常用铺砂垫层的方法，此方法施工方便、效果好，尤其适用于产砂砾地区。砂垫层在冰冻时不会聚冰，能减少毛细水的上升高度，存在于路基上层土壤的化冻过程的多余水分可排出去又可含蓄在砂层内，中砂或粗砂即便在含水饱和的时侯也呈稳定状态。砂垫层的用砂越粗越好，作为路面的一个加强基层，砂垫层还可以有效提高道路的整体强度，但其中不应掺杂粉砂和泥土，必须使用细砂时应加大垫层厚度。2)铺石灰土。石灰土由石灰和土拌合后并进行压实，其强度较高。石灰土能够硬结成为半刚性的板体结构，能均匀的传递来自车辆压力。一层石灰一层土的层铺法在防止土基翻浆和变形时不宜采用，为了使养生和初期成型时间得到保证，应在上冻的前一个月结束石灰土的施工工作。3)铺炉渣石灰土炉渣石灰土也称谓三合土，在我国的季冻地区，将其作为一种有效防治道路翻浆的材料，它的强度和整体性能均较石灰土高，其水稳定性也较石灰土好。(3)加强路基地上水与地下水的处理1)做好路基排水采取扩大边沟的方法，底宽在lm左右，此方法在平原洼地不适用。设置截水沟拦截山坡水流避免其流向路基，地下含水层的水分可以通过设置截水暗沟控制。2)降低地下水。a.修建管式渗沟。在位于路基两旁的边沟底上向下挖一道比现有地下水位再深一些的深沟，先在沟底安放四周带孔的瓦管或者水泥混凝土管，并在管上填满碎砖、小砾石或碎石，用20cm厚的粘土在最顶层夯实并封口，一层3cm厚的草皮可以铺设在碎石与粘土等粒料之间，这样，可通过瓦管排走地下水从而降低其水位。b.修建盲沟。地下水位较高时，可将纵向盲沟设置在边沟底下，地下排水沟的设置可以降低地下水水位，还可以防止水位因补给增加地下水的上升。盲沟应用渗水性良好的碎石或砾石进行填充，应依据当地的土质、毛细水上升高度、降低水位的程度来设定盲沟的深度。(4)设隔离层。隔离层一般包括透水性隔离层(例如砂石隔离层等)和不透水隔离层(例如土工布防水膜等)。1)透水性隔离层透水隔离层是在路面以下45cm处在路基全宽上铺7-15cm厚的砾石、碎砖、碎石等粗粒料。用设置透水隔离层来阻止毛细水上升升至路基上层，隔离层底面需设置3-4%的横坡，为了防止泥土的堵塞，在隔离层的上下两底面应铺设一层厚为1^}2cm的泥炭、苔醉、或炉渣、草皮，并使隔离层的底面至少高出边沟底25cm,在与边坡接头位置要用砾石或大块碎石铺进20cm的宽度。2)不透水隔离层采用不透水材料作为不透水隔离层:a.将一定量的沥青或渣油直接喷洒在土基面上;b.用塑料薄膜作为隔离层;c.沥青涂于两层油毡纸中间;c.用渣油或3cm厚的沥青拌和土壤作为隔离层。铺不透水隔离层在无砂石地区是防治翻浆病害的一种有效措施。此外，设置土工布防水膜，也是隔离毛细水行之有效的方法。土工布防水膜是一种可以为单层或双层的土工合成材料。复合土工膜是使用胶勃剂进行勃合或者加热压合聚合物膜与土工织物而成。土工织物能对土工膜形成保护，并能防止膜被所接触的碎砾石刺破，防止在运输过程中的损坏，防止铺设时的机械或者人为损坏。土工织物还具有排水层的作用，能够把膜上下的渗透水或者孔隙水排出，能够提高与砂砾、土等的接触面的摩擦系数。另外，复合土工膜可以使土体的应力扩散，并能承受一定的伸长变形和拉力，同时可以限制土体的侧向位移，对路基有稳定和加固的作用。土工布设置的位置应在最高地下水位之上。为了防止在施工过程中损坏土工布，可以在土工布上下分别铺设细砂层。(5)设置砂石隔离层砂石隔离层的厚度能通过计算进行确定。其不仅可以将毛细水上升的通道隔断，而且能够使路基的整体强度得到提高，并能控制或削弱土基的不均匀变形。在解决毛细水的隔离层设置的问题时，应主要考虑选取材料及确定合理的厚度，并结合毛细水的最大上升高度计算出砂石隔离层的最佳厚度。此外，掺入一定比例的水泥土、碎石、灰土、纤维等，对毛细水的防治也可起到较好的改良作用。实际操作中究竟采用何种方法进行处理，要结合当地实际情况本着就地取材、节约成本又不失其功能使用的前提来选择。由毛细水上升室内试验结果及毛细水上升数值分析可知，提高路基土的压实度，有利于降低毛细水上升高度，土的压实度越高，含水率与最佳含水率越接近，则毛细水上升速度及高度越低。由毛细水上升数值分析，压实度由94%提高至98%，毛细水上升最大高度由2.85m降低至2.81m。根据毛细水上升室内试验结果，采用碎石垫层、水泥稳定土垫层、纤维水泥稳定土垫层对黄泛区粉砂土中毛细水的隔离均可以达到较为显著的效果。试验中，碎石垫层厚度、水泥稳定土垫层厚度、纤维水泥稳定土垫层厚度均为30cm。实际工程中，条件允许的情况下，可适当加大垫层厚度，以达到更好的处治效果。5总结本文简单介绍了地基土中毛细水的名词概念，作用机理，预测公式，影响因素以及防