基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析

苏伟翔

水是危害公路的主要自然因素。水的作用加剧了路基和路面结构的损坏,加快了路面使用性能的恶化,缩短了路面的使用寿命[1]。SEEP/W能有效地模拟多层路面结构的非饱和排水。本文基于前人非饱和土参数值的研究,运用有限元软件针对带裂(接)缝的沥青路面和水泥混凝土路面结构进行渗流模拟,分析新建路面与带裂缝路面结构雨水入渗量,路面内部排水系统对以上结构的排水性能改善程度。

1 路面结构层渗流模型

非饱和土与饱和土的根本区别在于,前者为三相体,部分空隙由气体填充。Fredlund采用两个独立应力状态变量进行非饱和土的理论应力分析。这两个独立应力状态变量是净法向应力(σ-μw)和基质吸力(μa-μw)。其中,σ为土体单元法向应力;μa为孔隙气压力;μw为孔隙水压力。饱和土是非饱和土的一种特殊情形,即 μa-μw=0,因此只有一个应力状态变量(σ-μw)。通常在工程应用中假定孔隙气压力与大气压强相等,于是μa=0,因此非饱和区的压力势就是负孔隙水压力(-μw),即基质吸力就用负孔隙水压力来衡量。

其中,y为距离地下水位的距离,水位以上为负,水位以下为正;γw为水的重度。对于非饱和渗流,土的渗透系数不是一个常数,而是一个与饱和度和含水量相关的变量,记作k(θ),其中θ为体积含水量。Richard(1931年)将Darcy定律应用到非饱和流中,并推导得出非饱和渗流基本微分方程:

其中,H为总水头;kx,ky,kz分别为x,y,z方向的渗透系数。Richard方程可以分别由含水率、毛管压力水头等写成不同的表达方式。由于无法求得解析解,一般采用数值方法进行求解。

2 沥青路面接(裂)缝入水

Ridgeway直接在已使用多年的旧路面上进行表面水渗入率的测定试验,建议采用接(裂)缝的渗入率作为指标,并提出设计值为100 cm3/(h·cm)。我国公路排水设计规范依据国内部分旧路面的表面水渗入率测定结果,采用 Ridgeway的指标,建议面层存在裂缝的沥青路面的表面水渗入率设计值为0.625 cm3/(h·cm2)。依据所选取的设计渗入率,可以按沥青路面接缝和裂缝的数量计算纵向每延米表面水设计渗入量:Q1=IaB+kpB。其中,Ia为每平方米有裂缝沥青路面的表面水设计渗入率,m3/(d·m2);kp为表面水对每平方米未开裂路面表面的渗透率。

3 计算采用模型

采用上述中央分隔带入水计算模型,本文通过研究降雨条件下沥青路面接(裂)缝入水以及沥青混凝土孔隙入水,采用重丘区高速公路横断面24.5 m,半幅2×3.75 m行车道+2.5 m硬路肩+0.75 m土路肩+3 m中间带,行车道与硬路肩横坡为2%,土路肩为4%。路面结构为18 cm沥青混凝土面层+36 cm水泥稳定碎石(比选:排水基层)+20 cm水泥稳定砂砾底基层。路面设定为降雨边界。雨型采用5年一遇2 h降雨历时降雨强度8.4e-6m/s。沥青路面行车道中间一条裂缝,路面与路肩处一条接缝,裂缝与接缝贯穿面层至基层顶面,宽度1 cm。

结构层材料的非饱和参数取值见表1,由于路面结构具有对称性,分析模型取半幅剖面进行计算分析。面层为四边形网格,单元格为0.025 m×0.025 m,共有960个。基层包括四边形与三角形网格,单元格为0.025 m×0.025 m,共有4 008个。土基包括四边形与三角形网格,单元格为0.05m×0.05 m,共10 068个。断面共划分单元格15 036个。

表1 模型参数取值

输出结果选用两行车道中心断面(距离道路中线6 m),面层、基层与底基层结构中心点。鉴于路面结构的对称性,本文选用路面左幅断面进行非饱和渗流模拟,道路中心线断面没有水流交换,设定为 Q=0流量边界,地下水位深3 m,结构底面设定为定水头边界H=0,路面与中央分隔带为降雨边界,裂缝周围设定为定水头边界H=0。计算结果选取点位置示意图见图1。

4 计算结果分析

图2为裂隙结构与新建路面结构基层降雨期间体积含水量分布。降雨1 h内,两种结构的体积含水量接近,保持初始值6.5%。接下来1 h,裂隙结构基层体积含水量增长速度比新建路面快,截止到计算时间末t=7 200 s,裂隙结构基层体积含水量增加到饱和值24%,比新建路面基层体积含水量19%高5%,说明裂缝的存在将导致表面水入渗量大大增加。

图3为雨停后面层体积含水量分布。排水基层结构面层由含水量饱和值8%降到5%用了24 h,而密级配基层结构体积含水量降到5%用了400 h。由于体积含水量5%接近面层材料的残余含水量值4.6%,随后面层的排水速率趋于平缓。说明排水基层能迅速排除面层中和积滞在层间的自由水。

5 结语

进行沥青混凝土路面接(裂)缝降雨入渗模拟,假定行车道中间一条裂缝,路面与路肩处一条接缝,接(裂)缝宽 1 cm。接(裂)缝的存在导致结构层雨水渗入量大幅增加。对于密级配基层,入渗的自由水积滞在结构层与层间;面层下设置排水基层能迅速排除结构层中的雨水。

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