鄔傳炎 劉 明

水是危害公路的主要自然因素。完善的公路排水系統(tǒng)對(duì)確保路基路面良好的使用性能、延長道路使用壽命和節(jié)省道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等方面起著關(guān)鍵的作用[2,3]。趙江[4]采用SEEP/W軟件對(duì)19種不同的路基防排水方案在4種不同降雨強(qiáng)度以及不同歷時(shí)條件下的滲流場分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和比較分析。結(jié)論指出當(dāng)降雨強(qiáng)度比較小時(shí),路基的壓力水頭是隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大,在路肩和路面結(jié)構(gòu)層下均為相同的強(qiáng)透水填料的情況下,路面結(jié)構(gòu)層的橫向滲流要比路面結(jié)構(gòu)層滲入路床的豎向滲流量大很多。本文基于非飽和土的滲流理論,采用有限元軟件對(duì)不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行滲流模擬,為路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水及隔水措施的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 路面結(jié)構(gòu)層滲流模型

Fredlund[5]等采用兩個(gè)獨(dú)立應(yīng)力狀態(tài)變量進(jìn)行非飽和土的理論應(yīng)力分析。這兩個(gè)獨(dú)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(gè)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(qiáng)相等,于是μa=0,因此非飽和區(qū)的壓力勢(shì)就是負(fù)孔隙水壓力(-μw),即基質(zhì)吸力就用負(fù)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(fù),水位以下為正;γw為水的重度。對(duì)于非飽和滲流,土的滲透系數(shù)不是一個(gè)常數(shù),而是一個(gè)與飽和度和含水量相關(guān)的變量,記做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)。對(duì)現(xiàn)行的路面排水設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)主要應(yīng)從三個(gè)方面進(jìn)行。在設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)方面,應(yīng)用與實(shí)際相符的非飽和土理論考慮非飽和滲流的影響;在材料設(shè)計(jì)參數(shù)方面,重點(diǎn)考慮排水介質(zhì)(巖石與土)的滲透系數(shù)的各向異性、非飽和性等;在計(jì)算方法方面,應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)復(fù)雜水文、地質(zhì)條件下的工程問題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[6]。

2 路面結(jié)構(gòu)層非飽和排水有限元模擬

2.1 概況

本文采用重丘區(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。由于路面結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,分析模型取半幅剖面進(jìn)行計(jì)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(gè)?；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(gè)。土基包括四邊形與三角形網(wǎng)格,單元格為0.05 m×0.05 m,共10 068個(gè)。斷面共劃分單元格15 036個(gè)。

雨型采用長沙地區(qū)五年一遇2 h降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度8.4e-6m/s(雨型1)。路面設(shè)定為降雨邊界,即 q=i,i為降雨強(qiáng)度,當(dāng)q大于表層材料飽和滲透系數(shù)ks時(shí),則取此邊界條件為定水頭邊界H=z(總水頭等于高程值)。

2.2 模型的建立

1)對(duì)面層的影響:本文在計(jì)算斷面(地下水位3 m)結(jié)果的基礎(chǔ)上,設(shè)定地下水位2.5 m與2.0 m兩種方案進(jìn)行滲流模擬,與計(jì)算斷面的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖1為雨停后三種方案上面層體積含水量分布。圖1中 T3.0,T2.5與T2.0分別為地下水位深3 m,2.5 m與2 m三種方案的簡稱,由圖1可知地下水位的深度對(duì)雨停后面層的體積含水量分布影響不大。2)對(duì)基層的影響:由表1可知,雨停后T2.0在最短時(shí)間內(nèi)(0.381 h)體積含水量達(dá)到峰值12.3%,T2.5體積含水量達(dá)到峰值12.2%用了0.765 h,T3.0體積含水量達(dá)到峰值10.1%花了12.285 h。計(jì)算結(jié)果表明地下水位越淺,基層中雨水的入滲速率越快。3)對(duì)底基層的影響:底基層距離地下水位最近,地下水位對(duì)其滲流場影響最大。由表2可知,T2.0模型雨停后 t=49 h,體積含水量達(dá)到峰值8.74%,而T3.0體積含水量達(dá)到峰值7.43%用了197 h,表明地下水位越淺(T2.0),雨水的入滲速率與入滲量越大。

表1 雨停后三種方案上基層體積含水量

表2 雨停后三種方案底基層體積含水量

2.3 雨型的影響

為探討降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)非飽和滲流場的影響,在固定降雨總量的前提下,選用降雨強(qiáng)度 4.2×10-6m/s(15.12 mm/h)降雨歷時(shí)4 h雨型進(jìn)行滲流模擬,與計(jì)算斷面的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),降雨強(qiáng)度小的滲流模型迭代過程收斂速度快,迭代的次數(shù)也相應(yīng)減少。

圖2中雨型1代表降雨強(qiáng)度4.2×10-6m/s,雨型2代表降雨強(qiáng)度8.4×10-6m/s。雨型1降雨條件下面層達(dá)到飽和狀態(tài)用了3 600 s,而雨型2對(duì)應(yīng)的面層達(dá)到飽和狀態(tài)只用了600 s。這表明降雨強(qiáng)度越大,路面結(jié)構(gòu)表層雨水入滲速率越大,浸潤峰推進(jìn)速度更快。

圖3為降雨期間兩種雨型基層體積含水量分布。雨型1雖然降雨強(qiáng)度小,但是降雨歷時(shí)長,基層在 t=12 600 s(3.5 h)時(shí)體積含水量達(dá)到峰值14%,而雨型2對(duì)應(yīng)的模型在降雨期間(2 h)的基層體積含水量保持在3.78%,直到雨停后 t=2 h(距離降雨開始4 h),體積含水量增到峰值8.64%。

圖4中雨型1底基層體積含水量在雨停后11.7 h達(dá)到峰值11.7%,雨型2對(duì)應(yīng)的底基層體積含水量在雨停后197 h達(dá)到峰值7.4%,表明降雨歷時(shí)長的雨型,底基層雨水入滲速度快,入滲量大。到計(jì)算時(shí)間末,雨型1底基層體積含水量為7.5%,而雨型2模型底基層體積含水量為5%。

3 結(jié)語

滲入路面結(jié)構(gòu)層水量與地下水位深淺、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)有關(guān)。進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析發(fā)現(xiàn),地下水位淺,雨水的入滲速率快,更多的雨水會(huì)到達(dá)結(jié)構(gòu)層的深部。在同樣的降雨量前提下,降雨歷時(shí)長的雨型入滲量大。降雨歷時(shí)比降雨強(qiáng)度對(duì)表面水的滲入量影響更為重要。

[1] 黃仰賢.路面分析與設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,1998.

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[3] 張迎春.瀝青穩(wěn)定碎石排水層的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].長沙:湖南大學(xué),2003.

[4] 趙 江.路基路面在降雨條件下滲流分析及邊坡穩(wěn)定性研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2005.

[5] Fredlund D G,H Rahardjo.非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤,張?jiān)诿?陳愈炯,等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

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