本试验用土为兰州黄土，属于上更新世风积黄土，大孔发育，呈黄褐色，其基本物理参数见表1。把土样通过5 mm筛孔筛分，然后摊铺在室外风干，等土中含水率减小后拌合均匀，取6组土样测初始含水率。由于天然黄土含水率一般为6%～9%，根据配置含水率计算需加水量，用喷雾器边喷水边拌和，拌和均匀后将土体用塑料膜覆盖3 d，确保土体含水率均匀，使其含水率接近天然含水率。

试验设备主要有：水蒸气发生器、高温高压蒸汽调压阀、温度传感器、蒸汽扩散球和直径2 m、高2 m的3层钢桶（本次试验分两层来填筑模型，高为1.2 m）。水蒸气发生器输出的蒸汽温度为145 ℃，通过调压阀将蒸汽压控制为0.1 MPa。

土层填筑和温度传感器布置如图1所示，土体共分9层填筑，每层间距10 cm，压实度为0.88。温度传感器共分5层埋填，每层间距18 cm，用于测量增湿过程中不同时间、不同位置处土体温度。

图  1  测试元件布置（单位: cm）

Figure 1.  Testing elements layout chart (unit: cm)

温度传感器在每层土体平面布置如图2所示。在每层平面中每条半径布置3个温度传感器（间距18 cm），并在每一层圆心处设置1个温度传感器，每层共计19个。

图  2  温度传感器布置

Figure 2.  Temperature sensors layout

含水率取样点平面布置如图3所示。

图  3  含水率取样点布置

Figure 3.  Layout of water content sampling points

在试验结束后，利用烘干法取样测试该点的液态水和气态水迁移总量，每层平面每条半径线上取4个含水率取样点（距离20 cm），每层圆心处设置1个含水率取样点，每层共计取37个试样， 共取9层，用以研究水蒸气在土体中的运移规律。

温度传感器布置情况如图2所示。各层土体中心布置的温度传感器监测到的温度随时间变化规律见图4。从图4可以看出，在试验刚开始不久，距离通气点处0和18 cm处的温度快速上升并达到最大，此后一直在最大值左右波动。这表明在以通气点为球心，R=18 cm球体范围内，在蒸汽压作用下，水蒸气扩散速率非常快。通气25 min后，18 cm处温度稳定在100 ℃，再经过30 min，36 cm处的温度开始变化。计算可得，蒸汽温度在穿透0~36 cm土体时的传导速度为0.655 cm/min；同理可得，在36~54 cm土体中蒸汽温度传导速率为0.30 cm/min。可以看出，随着压力消散，水蒸气在运移的过程中受到土体的阻碍，流动速度减慢。最后，距离通气点72 cm处的温度在整个试验过程中几乎没有发生变化，54~72 cm间土体的温度变化量较小，说明运移到该土层内的水蒸气十分少，温度变化是由热传导引起的。

图  4  通气点正上方各测点温度变化

Figure 4.  Temperature change diagram of measuring points right above the ventilation point

图5为通气点所在平面内等温线形状发生较明显变化时刻的温度分布。由于温度沿径向的运移速率较慢，温度数据每隔30 min采集1次。从图5可以看出，在增湿的最初阶段，整个平面内温差较小，仅在距通气点20 cm的范围内温度上升。随着增湿时间延长，增湿范围进一步扩大，中心区范围内的温度得以快速上升。

图  5  通气点所在平面温度迁移(单位：℃)

Figure 5.  Temperature transfer diagram of the ventilation point plane (unit: ℃)

图6为试验6.5 h后含水率沿径向变化曲线。从图6可见，每一层土体含水率都随径向距离的增大而减小。各层土体在距离通气点0~60 cm径向范围内，含水率快速增加，从初始7.04%增湿到16.50%，接近最优含水率17.80%。而在1，2层土体中距离圆心70和80 cm处的含水率在7.13%~7.68%间变化，接近土体初始含水率7.08%，说明该范围内的土体几乎未受到水蒸气增湿影响，可知该工况下水蒸气的竖向有效增湿半径为70 cm。此外，在水平方向，3～9层土体中距离通气点80 cm处土体含水率仍大于土体初始含水率，而80~100 cm范围内土体含水率接近初始含水率，同理可判定该工况下水蒸气沿水平方向的有效增湿半径为80 cm，略大于竖向增湿半径，与土体中水平向渗透系数大于垂直方向渗透系数的规律相一致。此外，距离通气点竖向70 cm、水平向80 cm以外的土体含水率仍稍大于土体初始含水率，主要是由土体含水率梯度引起的。综合上述分析可见，水蒸气在非饱和黄土中的增湿范围接近一个椭球体。

图  6  6.5 h后含水率沿径向变化曲线

Figure 6.  Variation curves of moisture content in horizontal direction after 6.5 hours

取试验中奇数层平面，对每一土层含水率分布进行研究，如图7所示，含水率在各层分布状况总体相似，等含水率线近似为椭圆形，且在每层的圆心处含水率最大，沿径向逐渐降低，但每层土体的增湿范围和增湿程度各不相同。其中，距通气点较近的土层，其增湿程度和增湿范围较大，反之亦然。

图  7  奇数层平面内含水率分布

Figure 7.  Distribution maps of moisture content in odd number layer planes

此外，从图7(a)中可以看出，在第1层中，只有靠近圆心处含水率较大约为8.00%，在靠近含水率最大处30 cm范围内，其含水率接近初始值，其他区域均低于初始含水率。而从图7(e)中可以看出第9层土体径向距离通气点80 cm处接近初始含水率7.04%，则竖向最大增湿半径为80 cm，所以沿深度方向最大增湿半径略大于1~9层的距离80 cm，其接近径向最大增湿半径，其中第1层土体部分区域含水率低于初始值，其原因是第1层位于表面，土体暴露与大气中，在145 ℃水蒸气加热作用，加速了土体的蒸发，致使其含水率低于初始值。

王铁行等^[19]对大量的实测结果进行回归分析，得到根据土体含水量、密度确定导热系数的关系式${\rm{\lambda }} = 4.17{{\rm{\omega }}^2} + 1\; 504 \times {10^{0.25{r_{\rm d}} - 3.9}}$, 其中：λ为导热系数；ω为含水率；r_d为干密度。利用该式得到横向和纵向导热系数的变化规律如图8所示。从图8可见，导热系数和含水率息息相关，沿横向和纵向导热系数均随含水率的减小而减小。

图  8  横纵方向导热系数变化

Figure 8.  Transverse and longitudinal variation diagram of thermal conductivity

在距离通气点0~20 cm和70~80 cm的范围内，土体含水率比较接近，横纵向的导热系数变化曲线几乎重合。而在距离通气点20~70 cm的范围内，纵向含水率总是大于横向含水率，进而纵向导热系数总是大于横向导热系数。横纵向含水率的差值从20 cm处开始增大，40 cm处减小，60 cm处再一次相等，说明在距离通气点0~60 cm范围内以气态水迁移为主，而60 cm范围以外液态水迁移为主。

横纵向含水率分布不一致与横纵向增湿半径不一致的原因相同，均是由水蒸气气压造成的。从上述的分析可以看出，该工况下，蒸汽气压仅对距离通气点0~60 cm的土体产生影响，对60~80 cm范围内的土体没有影响。从图8可以发现，该工况下最大增湿半径为80 cm，说明0~60 cm内土体增湿是由液态水迁移和气态水迁移共同引起的，而70~80 cm内土体增湿是在含水率梯度和温度梯度共同作用下，由液态水迁移造成的。

（1）水蒸气和温度在非饱和黄土中的扩散范围近似于一个椭球体，沿径向随着水蒸气运移距离增大，蒸汽运移速率减小，含水率和温度迁移速率降低。

（2）当水蒸气气压为0.1 MPa，温度为145 ℃，通气6.5 h时，水蒸气最大增湿半径为80 cm，横向、纵向有效增湿半径分别为60和70 cm。在以通气点为圆心，横向40 cm，纵向50 cm的椭球体内，含水率在12%~17%间变化，增湿效果较好，接近土体的最优含水率。延长通气时间，增湿范围和增湿程度均将增大。

（3）水蒸气增湿黄土过程中，液态水和气态水迁移共存，在有效增湿范围内以气态水迁移为主。随着压力消散，水蒸气迁移速度逐渐减慢，而在不同的范围内，温度传导速率接近一个定值。

（4）水蒸气增湿法作为土体增湿的新技术与新方法，与传统的预湿法和掩埋法相比具有诸多优点，考虑蒸汽气压、蒸汽温度、土体密度和土体含水量的水分迁移参数，定量地描述水-热的扩散范围，联合高能强夯法，在大厚度湿陷性黄土地区地基处理中有广泛的应用前景。