用于非饱和黄土的蒸汽增湿方法

用于非饱和黄土的蒸汽增湿方法

1不同含水率原状黄土土样的增湿试验研究洛杉矶高原是干旱的半干旱地区。大部分项目用地处于非饱和状态，属于非饱和土壤。由于黄土水敏性强,降雨、管道漏水入渗和冻结等情况引起非饱和黄土含水率的增加,会导致黄土强度和变形指标发生变化并导致工程病害发生。在实际工程中,经常需要知道含水率变化导致的黄土强度和变形指标的变化,为此需采取原状黄土进行不同含水率水平下的试验研究。因为现场同一土层(土性可认为相同)原状黄土含水率差别较小,很难取出土性相同而含水率不同的原状土样,试验时需人工增湿配制不同含水率的原状黄土土样。目前对土样增湿的方法有预湿法和掩埋法,这两种方法增湿时间均较长,增湿时间超过24h仍经常发现土样中部硬核存在(增湿不均匀),因此,需对更为有效的黄土增湿方法进行探讨,以期得到快捷有效的增湿方法。本文拟就含水率变化对原状黄土冻融强度的影响开展研究工作,为此,首先对增湿方法和含水率测试方法进行比较研究,然后,利用增湿得到的不同含水率黄土土样,考虑含水率的影响,就冻融引起的黄土强度变化问题进行研究,解决这一问题是对黄土地区窑洞和隧道洞口冻害、水渠冻害、路基路面冻害等进行系统分析的基础。对黄土冻融强度问题已有研究文献[8-13]进行揭示,但考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度问题的研究文献尚缺乏,本文就此问题开展试验研究,期望得到规律性的认识。2增湿均匀性的试验增湿的目的是使土样含水率增加,而含水率的增加应该是均匀的,因此增湿后水分扩散均匀的时间是增湿方法最需要探讨的,其次还需要保证增湿并不改变土体的结构,仅仅是含水率增加。为了满足这一要求,现有的预湿法和掩埋法均需要较长时间。笔者对非饱和黄土的试验表明,预湿法增湿时间一般长于24h,掩埋法增湿时间一般长于一周,土体含水率越低,土样尺寸越大,增湿时间相应延长。在满足增湿各项要求的前提下,为了缩短增湿时间,提高试验效率,本文提出蒸汽增湿的方法。蒸汽增湿的设想是将土样放入家用普通高压锅,利用高压锅提供水蒸气,高温水蒸气易于扩散进入非饱和土孔隙,然后将土样从高压锅取出,土样冷却后水蒸气凝结成水,达到增湿的目的。试验时,若高压锅压力阀门打开,则水蒸气处于无压状态(相对于大气压)。若高压锅压力阀门关闭,则水蒸气处于高压状态(试验用高压锅为1.8个大气压)。无压状态不会影响土体结构,但高压是否对土体结构产生影响,则是一个需要考虑的问题。根据非饱和土的轴平移技术,通过压力室对非饱和土施加高气压,测得的基质吸力值是一样的,并不改变土体结构。基于此,本文认为,施加高压水蒸气也不会改变非饱和土结构,但适用于非饱和土处于气连通状态,具体情况需试验验证。蒸汽增湿试验步骤为:取非饱和原状土样,放入压力锅,水蒸汽增湿,土样保鲜膜封闭,放入保湿缸冷却静置,然后测试土样含水率和密度。以蒸汽增湿前后土样密度是否发生变化来判断是否对土体结构产生影响,以增湿后土样表面和中心含水率之差来判断增湿的均匀性。蒸汽由高压锅获得,利用高压锅可对环刀土样进行加压(1.8个大气压)与不加压蒸汽增湿的试验探讨。土工试验规程DT—82规定:采用烘干法测试含水率,若含水率小于10%,则允许平行差值为0.5%;若含水率在10%和30%间,则含水率测试的平行误差不超过1%。参照这一标准,本文取土样表面和中心含水率之差不大于0.5%作为衡量土样增湿均匀性的指标。首先试验探讨土样在高压锅内蒸汽增湿时间长短的影响,采用无压增湿方式,试验结果如表1所示。从测试结果可以看出,在无压情况下,分别蒸汽增湿5、10、15、和20min,增湿均匀性均满足要求,增湿后测得土样的含水率基本相同,蒸汽增湿时间长短(大于5分钟)对增湿效果的影响不大,为了统一试验标准,蒸汽增湿时间取10min。再探讨蒸汽压力对增湿的影响,试验时高压锅压力阀门的打开和关闭,分别对应水蒸气无压状态和高压状态(1.8个大气压),试验结果如表2所示。从试验结果可以看出,蒸汽压力对增湿量影响较大,压力越大,增湿后的含水率越大,土样增湿量越大。压力越大,水蒸气浓度越大,扩散进入土体孔隙的水分越多,冷却凝结水越多,增湿量越大,试验结果也验证了这一点。蒸汽增湿前后对干密度的测试结果表明,含水率较小时,高压蒸汽对土样结构无影响,但含水率较大使气相不再连通时,高压蒸汽对土样结构有影响。因此,采用高压增湿时,应同时检测土体密度变化。简单起见,一般可采用无压增湿方式。高压锅蒸汽增湿后,将土样用保鲜膜封闭后放入保湿缸冷却静置,最后测试含水率。因土样自外而里逐渐冷却,冷却过程因土样存在温度差,可导致水分运动使土样含水率不均匀。因此,土样冷却后在保湿缸应再静置一段时间使土样含水率分布均匀。合适的静置时间应通过试验确定。无压增湿试验结果如表3所示。从表中可以看出,静置时间越长,土样含水率分布越均匀,静置8h即可保证土样含水率分布是均匀的。表1和表2亦为静置8h的测试结果。进一步探讨土样初始含水率对增湿效果的影响,取不同初始含水率土样进行了蒸汽增湿试验,试验结果如表4所示。试验采用无压蒸汽增湿,锅内蒸汽增湿10min,静置8h。从表中可以看出,虽然初始含水率不同,但试验结果均满足增湿均匀性要求。但初始含水率越大,增湿后的含水率增加值越大,其机理可能与高温水汽加热土样过程驱使液态水运动有关,有待进一步研究。将增湿率(增湿后的含水率增加值)和初始含水率进行对比分析,可以发现,采用无压蒸汽对非饱和黄土增湿,每次的增湿率约为初始含水率的20%。试验结果表明了蒸汽增湿法的有效性。相对于现有的预湿法和掩埋法,蒸汽增湿法大幅缩短了试验时间,增湿后土样水分均匀性较好,用于对非饱和黄土增湿是成功的。蒸汽增湿每次增湿量是一定的,若需增湿量较大时,可采用锅内多次增湿的方法,即锅内增湿—冷却—锅内增湿—冷却—静置的方法,锅内增湿—冷却的时间30min即可,因此,多次增湿并不会大幅他增加试验时间。必要时,可先给土样表面滴水,在蒸汽增湿。在保证原状黄土结构不变的情况下,采用蒸汽增湿法可得到不同含水率的非饱和黄土土样,为研究或确定含水率变化导致的土性指标变化提供试验土样。虽然此方法得到的土样含水率值事先不能严格控制,但可以得到不同含水率的系列土样,可以满足试验研究对不同含水率土样的需要,增湿后土样含水率值需实测确定。本文采用增湿土样,对含水率变化导致的黄土冻融强度变化问题进行研究。为了含水率测试工作的便利高效,首先对含水率测试方法进行探讨。3微波法和酒精燃烧法测定含水率的对比在非饱和黄土增湿试验和其它土工试验中,经常需要测试土体含水率。含水率测试方法较多,目前烘干法被认为是标准的测试方法,但实际工程中为了测试的简便快捷,酒精燃烧法和微波炉法已有较多的应用。但酒精燃烧法和微波炉法的精度问题尚难见文献,为使用者造成困扰。为了得知微波炉法和酒精燃烧法测定含水率的准确性,对烘干法、酒精燃烧法和微波炉法等3种方法进行了对比测试。烘干法和酒精燃烧法按照规范方法进行,微波炉法是普通家用微波炉的烘烤档位对试验土样烘烤20min。土样选用高、低两种含水率非饱和黄土土样,测试结果如表5、6所示。从测试结果可以看出,酒精燃烧法测试结果最小,微波炉法测试结果居中。若以烘干法测试结果为标准,以规范误差0.5%作为控制标准,则酒精燃烧法在较高含水率时不满足精度要求,微波炉法在几种含水率下的测试结果均满足精度要求。由于微波炉法使用普通家用微波炉,设备分布广泛,也易于携带,操作方便,测试时间相对于烘干法大幅缩短,实际工程应用特别是现场实测中,可采用微波炉法测试含水率,测试结果是可靠的。4冻融循环对非饱和黄土土样抗剪强度的影响取蒸汽增湿法得到的不同含水率的非饱和原状黄土土样,冻融后进行直剪试验,测定其抗剪强度指标,基于测试结果分析含水率对原状黄土冻融强度的影响。试验用原状黄土干密度为1.35g/cm3,试验中采用微波炉法测定含水率。就定性分析而言,非饱和黄土经历冻融循环会对其强度产生影响,但高含水量黄土和低含水量黄土在此方面的反映应有所不同。首先探讨冻融对低含水率黄土强度的影响。非饱和原状黄土土样含水率为9%。先将非饱和黄土土样放入冻结室冻结,然后取出融化后进行直剪试验,测定土的抗剪强度指标。试验时,考虑了冻结温度和冻融次数的影响。试验结果如表7所示。从表7可以看出,含水率为9%时,冻融作用对黄土的黏聚力值基本没有影响。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前有小幅增加,冻结温度越低,增加值越大,但冻融循环次数对此几乎无影响。再探讨冻融对高含水率黄土强度的影响。试验用原状黄土通过蒸汽增湿得到含水率分别为21%、24%和28%的土样。然后分别取各个含水率的非饱和黄土土样测定土的抗剪强度指标,冻结温度均为-9℃。试验结果如图1~2所示。图1~2显示出,当非饱和黄土含水率较高时,经历冻融循环后黄土黏聚力值较冻融前降低,内摩擦角值较冻融前增加,随着冻融循环次数的增加,黏聚力降低值和内摩擦角增加值越大。同样,随着含水率的增加,非饱和黄土粘聚力明显降低,但内摩擦角值几乎不变。非饱和原状黄土冻融前后出现黏聚力值降低而内摩擦角增加的现象,这一现象在文献对超固结重塑土的研究中也曾出现。文献经电镜扫描揭示出,土样在冻融循环之后大孔隙所占的比例下降,土颗粒间的接触点增多,从而引起土样内摩擦角的增大;而黏聚力的降低则是由于冰晶的生长破坏了土颗粒间联结所引起结构弱化所致。此种解释是否适用于非饱和原状黄土有待进一步探讨,从感性认识而言是可以的。5含水率测试结果分析本文提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,并给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明:(1)微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大;(2)进一步应用蒸