防滲處理對膨脹土路基含水量分布的影響

邢維忠，邵艷

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥230601)

摘要：膨脹土路基的變形取決于含水量的變化，本文采用ABAQUS對非飽和膨脹土路基的防滲進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：未采取防滲方案時，降雨引起的含水量變化范圍最大；在采取防滲方案后，含水量變化范圍相應(yīng)減小；另一方面，防滲越深，含水量變化值越為均勻，變化幅度越小。因此，土工膜防滲可以減小路基的變形。研究結(jié)果可為工程設(shè)計和數(shù)值計算的參數(shù)取值提供參考。

關(guān)鍵詞：膨脹土；防滲處理；路基工程；含水量；數(shù)值分析

收稿日期：2014-04-23

基金項目：安徽省教育廳高校自然科學(xué)重點項目(KJ2012A061)

作者簡介：邢維忠(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：路基處理。

中圖分類號：U416

Effects of the water content distribution on

anti-seepage treatments in expansive soil subgrade

XING Wei-zhong，SHAO Yan

(School of Civil Engineering,Anhui jianzhu University, Anhui, Hefei 230601)

Abstract:Changes of water content determine the deformation of expansive soil subgrade. In this paper , the seepage treatments of unsaturated expansive soil are analyzed by ABAQUS software. The results show that there are small changes in water content value by using anti-seepage measures under the rainfall. Without using anti-seepage treatments, there is a large change at range of water content value. At the same time, the ranges of water content value obviously decrease with the increasing depth of anti-seepage measures. Therefore, deformation of pavement can be decreased by anti-seepage treatments. The results could be used for engineering design and numerical calculation.

Key words:expansive soil; anti-seepage treatments; subgrade engineering; water content; numerical analysis

1引言

膨脹土是由強(qiáng)親承性粘土礦物蒙脫石、伊利石組成的高塑性粘性土，具有較大的往復(fù)脹縮性。膨脹土的膨脹與收縮是由于膨脹土與水體系中水介質(zhì)的相互作用而引起土中內(nèi)應(yīng)力改變的結(jié)果。因此，在水分變化的影響下膨脹土表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。當(dāng)膨脹土遇水浸泡后，土體發(fā)生膨脹，體積增大，反之在干燥狀態(tài)下膨脹土體將產(chǎn)生嚴(yán)重干縮龜裂。就膨脹土路基而言，由于氣候影響以及地表水的侵蝕，路基土體發(fā)生濕脹和干縮的反復(fù)作用，土體龜裂，強(qiáng)度降低，同時受到上部交通荷載長期重復(fù)的作用，使路面發(fā)生變形并不斷地積累增大，最終導(dǎo)致路面崩潰[1-4]。

合肥市是我國膨脹土覆蓋的典型地區(qū)之一，同時也區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，一年中的降水量呈季節(jié)性分配，其中春夏季降水占全年降水量的68.1%，導(dǎo)致地基土含水量隨季節(jié)改變而變化。隨著水分的遷移和轉(zhuǎn)化，膨脹土反復(fù)的干縮濕脹，最終導(dǎo)致土體的有效凝聚力下降，使得土體的強(qiáng)度降低，不利于道路建設(shè)[5]。

目前，膨脹土路基處理方法有：換土、濕度控制、改性處理。其中改性處理[6-7]主要是利用石灰、水泥或其它固化材料通過與膨脹土的物理化學(xué)作用進(jìn)行膨脹土的改性處理，達(dá)到降低膨脹土膨脹潛勢、增加強(qiáng)度和提高水穩(wěn)性的目的。但摻灰處治工程量大，污染環(huán)境，不適合城市膨脹土路基處理；而濕度控制則是在路基的兩側(cè)設(shè)置兩布一膜進(jìn)行防滲，避免膨脹土與外界大氣直接接觸，減少膨脹土內(nèi)部的水分遷移，降低由于降雨引起的土體中含水量變化所導(dǎo)致的土體變形，從而有效的控制膨脹土的變形[8]。

為了解土工膜防滲處理合肥地區(qū)膨脹土的效果，采用通用有限元軟件ABAQUS模擬降雨作用下，防滲和不防滲時合肥十里店道路路基中土的含水量變化的規(guī)律，分析相同降雨條件下不同防滲深度的防滲效果以及對路基含水量分布的影響。研究結(jié)果可為工程設(shè)計和數(shù)值計算的參數(shù)取值提供參考。

2路面結(jié)構(gòu)組成

以合肥市十里店路為研究對象，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。分析時作如下假定：(1)路面各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，力學(xué)特性用彈性模量E和泊松比μ表征(其材料參數(shù)見表1)；(2)路面各結(jié)構(gòu)層在垂直方向完全連續(xù)；道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析時，底基層和路床界面設(shè)置接觸對，但按粗糙連接考慮；(3)按平面應(yīng)變問題分析。取計算軸載100kN，接地壓力0.7MPa。

表1　路面材料參數(shù)

3非穩(wěn)態(tài)滲流有限元分析

(1)防滲方案及幾何模型。圖2為數(shù)值計算的幾何模型。防滲深度為500mm、1000mm、1500mm的三種防滲方案。

圖2防滲方案幾何模型

劃分單元后的有限元模型，見圖3所示。

(2)材料參數(shù)及邊界條件

(a)物理特性

合肥十里店路基土物理性質(zhì)見表2所示。

(b)流量邊界

合肥地區(qū)的大到暴雨主要集中在7月分，降水量為181.5mm[1]，降水時間較短，可取降水時間為5天，則：降水量為181.5÷5=36.5mm/d。由于土體滲透系數(shù)較低，因此對于不同的孔壓應(yīng)采取不同的邊界條件。①流量邊界條件：地表孔壓不為0時，0.0365÷24=0.00152m/h；②水頭邊界條件：地表孔壓為0時，地表基質(zhì)吸力為0。

4滲流計算結(jié)果與分析

數(shù)值計算通過通用有限元軟件ABAQUS實現(xiàn)。采用ABAQUS軟件進(jìn)行了在4種降雨情況下路基中含水量計算。分別為無防滲方案；方案一防滲0.5m；方案二防滲1.0m；方案三防滲1.5m情況下的路基含水量。路基中不同位置節(jié)點標(biāo)記如圖4所示。圖5～8為采取防滲措施和不采取防滲措施時降雨后路基中飽和度分布云圖。

圖5為非防滲方案，降雨作用引起的含水量變化直接作用在路床部分，路床含水量變化大。對于膨脹土路基，土體中含水量的變化以及分布決定了路基的變形。如圖6～8所示，采用土工膜在不同深度進(jìn)行防滲后，防滲深度內(nèi)的土體含水量變化幅度明顯減小，土體中含水量的變化范圍主要位于未進(jìn)行防滲的區(qū)域，并且隨著防滲深度的增加，防滲效果更加明顯，從而減降雨小對膨脹土路基的影響。由以上分析可知：未采用土工膜時，由于滲流作用，路基含水量明顯增加，土體遇水膨脹，發(fā)生變形，導(dǎo)致破壞路面；采用土工膜防滲后，土工膜阻隔了水的滲流通道，降低了防滲深度內(nèi)路基土的含水量變化幅度，從而達(dá)到減小路基變形的目的，而且隨著防滲深度的提高，路基上部荷載增大，產(chǎn)生排水固結(jié)的效果，進(jìn)一步減小路基變形。

圖9為路基中節(jié)點2-2(如圖4所示)含水量時程曲線。其中，W指無防滲方案，F(xiàn)1～F3分別指防滲方案一～方案三。圖中含水量隨時間的變化表明，含水量一般是在降雨后一段時間才能達(dá)到最大值，采用防滲措施后，曲線較為平緩，防滲可以起到減小膨脹土含水量變化的作用，從而減小變形。

圖10為路基下1.0m處路基含水量分布圖。有圖可看出：與初始含水量(25%)相比，隨著防滲深度的加深，路基含水量變化幅度減小，含水量沿橫斷面分布曲線也較為平緩，含水量分布較為均勻。相應(yīng)的，減小了路基的橫斷面上的不均勻變形，從而有效降低了路基變形的不均勻性。

5結(jié)論

(1)路基采用土工膜防滲處理后，降雨條件下路基含水量變化幅度明顯下降，主要是因為防滲阻隔了水分滲流的通道，延長了滲流路徑，減少膨脹土內(nèi)部的水分遷移，降低了大氣作用對土體含水量的影響。

(2)路基土膨脹變形取決于含水量變化；隨著防滲膜的防滲深度的提高，防滲膜的阻隔效果越加明顯，防滲深度內(nèi)土體含水量變化幅度減小，從而減小路基變形。另一方面，隨著防滲深度的增加，上部荷載也逐漸增大，從而產(chǎn)生排水固結(jié)的效果，進(jìn)一步減小由防滲膜下部路基土含水量變化所引起的路基變形。

(3)采用土工膜防滲減小了含水量沿路基橫斷面的變化幅度，降低了土體中含水量分布的不均勻性。相應(yīng)的，土工膜防滲可以減小路基土的不均勻變形，從而防止由于路基不均勻變形引起的路面破壞。

參考文獻(xiàn)

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