蘇偉翔

水是危害公路的主要自然因素。水的作用加劇了路基和路面結(jié)構(gòu)的損壞,加快了路面使用性能的惡化,縮短了路面的使用壽命[1]。SEEP/W能有效地模擬多層路面結(jié)構(gòu)的非飽和排水。本文基于前人非飽和土參數(shù)值的研究,運用有限元軟件針對帶裂(接)縫的瀝青路面和水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進行滲流模擬,分析新建路面與帶裂縫路面結(jié)構(gòu)雨水入滲量,路面內(nèi)部排水系統(tǒng)對以上結(jié)構(gòu)的排水性能改善程度。

1 路面結(jié)構(gòu)層滲流模型

非飽和土與飽和土的根本區(qū)別在于,前者為三相體,部分空隙由氣體填充。Fredlund采用兩個獨立應(yīng)力狀態(tài)變量進行非飽和土的理論應(yīng)力分析。這兩個獨立應(yīng)力狀態(tài)變量是凈法向應(yīng)力(σ-μw)和基質(zhì)吸力(μa-μw)。其中,σ為土體單元法向應(yīng)力;μa為孔隙氣壓力;μw為孔隙水壓力。飽和土是非飽和土的一種特殊情形,即 μa-μw=0,因此只有一個應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-μw)。通常在工程應(yīng)用中假定孔隙氣壓力與大氣壓強相等,于是μa=0,因此非飽和區(qū)的壓力勢就是負孔隙水壓力(-μw),即基質(zhì)吸力就用負孔隙水壓力來衡量。

其中,y為距離地下水位的距離,水位以上為負,水位以下為正;γw為水的重度。對于非飽和滲流,土的滲透系數(shù)不是一個常數(shù),而是一個與飽和度和含水量相關(guān)的變量,記作k(θ),其中θ為體積含水量。Richard(1931年)將Darcy定律應(yīng)用到非飽和流中,并推導(dǎo)得出非飽和滲流基本微分方程:

其中,H為總水頭;kx,ky,kz分別為x,y,z方向的滲透系數(shù)。Richard方程可以分別由含水率、毛管壓力水頭等寫成不同的表達方式。由于無法求得解析解,一般采用數(shù)值方法進行求解。

2 瀝青路面接(裂)縫入水

Ridgeway直接在已使用多年的舊路面上進行表面水滲入率的測定試驗,建議采用接(裂)縫的滲入率作為指標,并提出設(shè)計值為100 cm3/(h·cm)。我國公路排水設(shè)計規(guī)范依據(jù)國內(nèi)部分舊路面的表面水滲入率測定結(jié)果,采用 Ridgeway的指標,建議面層存在裂縫的瀝青路面的表面水滲入率設(shè)計值為0.625 cm3/(h·cm2)。依據(jù)所選取的設(shè)計滲入率,可以按瀝青路面接縫和裂縫的數(shù)量計算縱向每延米表面水設(shè)計滲入量:Q1=IaB+kpB。其中,Ia為每平方米有裂縫瀝青路面的表面水設(shè)計滲入率,m3/(d·m2);kp為表面水對每平方米未開裂路面表面的滲透率。

3 計算采用模型

采用上述中央分隔帶入水計算模型,本文通過研究降雨條件下瀝青路面接(裂)縫入水以及瀝青混凝土孔隙入水,采用重丘區(qū)高速公路橫斷面24.5 m,半幅2×3.75 m行車道+2.5 m硬路肩+0.75 m土路肩+3 m中間帶,行車道與硬路肩橫坡為2%,土路肩為4%。路面結(jié)構(gòu)為18 cm瀝青混凝土面層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石(比選:排水基層)+20 cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層。路面設(shè)定為降雨邊界。雨型采用5年一遇2 h降雨歷時降雨強度8.4e-6m/s。瀝青路面行車道中間一條裂縫,路面與路肩處一條接縫,裂縫與接縫貫穿面層至基層頂面,寬度1 cm。

結(jié)構(gòu)層材料的非飽和參數(shù)取值見表1,由于路面結(jié)構(gòu)具有對稱性,分析模型取半幅剖面進行計算分析。面層為四邊形網(wǎng)格,單元格為0.025 m×0.025 m,共有960個?；鶎影ㄋ倪呅闻c三角形網(wǎng)格,單元格為0.025 m×0.025 m,共有4 008個。土基包括四邊形與三角形網(wǎng)格,單元格為0.05m×0.05 m,共10 068個。斷面共劃分單元格15 036個。

表1 模型參數(shù)取值

輸出結(jié)果選用兩行車道中心斷面(距離道路中線6 m),面層、基層與底基層結(jié)構(gòu)中心點。鑒于路面結(jié)構(gòu)的對稱性,本文選用路面左幅斷面進行非飽和滲流模擬,道路中心線斷面沒有水流交換,設(shè)定為 Q=0流量邊界,地下水位深3 m,結(jié)構(gòu)底面設(shè)定為定水頭邊界H=0,路面與中央分隔帶為降雨邊界,裂縫周圍設(shè)定為定水頭邊界H=0。計算結(jié)果選取點位置示意圖見圖1。

4 計算結(jié)果分析

圖2為裂隙結(jié)構(gòu)與新建路面結(jié)構(gòu)基層降雨期間體積含水量分布。降雨1 h內(nèi),兩種結(jié)構(gòu)的體積含水量接近,保持初始值6.5%。接下來1 h,裂隙結(jié)構(gòu)基層體積含水量增長速度比新建路面快,截止到計算時間末t=7 200 s,裂隙結(jié)構(gòu)基層體積含水量增加到飽和值24%,比新建路面基層體積含水量19%高5%,說明裂縫的存在將導(dǎo)致表面水入滲量大大增加。

圖3為雨停后面層體積含水量分布。排水基層結(jié)構(gòu)面層由含水量飽和值8%降到5%用了24 h,而密級配基層結(jié)構(gòu)體積含水量降到5%用了400 h。由于體積含水量5%接近面層材料的殘余含水量值4.6%,隨后面層的排水速率趨于平緩。說明排水基層能迅速排除面層中和積滯在層間的自由水。

5 結(jié)語

進行瀝青混凝土路面接(裂)縫降雨入滲模擬,假定行車道中間一條裂縫,路面與路肩處一條接縫,接(裂)縫寬 1 cm。接(裂)縫的存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層雨水滲入量大幅增加。對于密級配基層,入滲的自由水積滯在結(jié)構(gòu)層與層間;面層下設(shè)置排水基層能迅速排除結(jié)構(gòu)層中的雨水。

[1]John Stormont,Shenxiong Zhou.Improving Pavement Subsurface Drainage Systems by Considering Unsaturated Water Flow[R].Department of Civil Engineering,University of New Mexico,AIbuquerque,New Mexico,2001.

[2]Paola Ariza,Bjorn Birgisson.Evaluation of Water Flow through Pavement Systems[R].Civil and Coastal Engineering Department,University of Florida,Florida,2002.

[3]張迎春.瀝青穩(wěn)定碎石排水層的設(shè)計與試驗研究[D].長沙:湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,2003.

[4]Perera Y Y.Moisture equilibria beneath paved areas[D].Arizona State University,Arizona City,2003.

[5]American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures.Washington,D.C.,1998.

[6]劉建華,郭忠印.基于非飽和土理論的公路排水設(shè)計方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2006,34(2):191-195.

[7]姚祖康.公路排水設(shè)計手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.