防渗处理对膨胀土路基含水量分布的影响

防渗处理对膨胀土路基含水量分布的影响

邢维忠，邵艳

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥230601)

摘要：膨胀土路基的变形取决于含水量的变化，本文采用ABAQUS对非饱和膨胀土路基的防渗进行分析。研究结果表明：未采取防渗方案时，降雨引起的含水量变化范围最大；在采取防渗方案后，含水量变化范围相应减小；另一方面，防渗越深，含水量变化值越为均匀，变化幅度越小。因此，土工膜防渗可以减小路基的变形。研究结果可为工程设计和数值计算的参数取值提供参考。

关键词：膨胀土；防渗处理；路基工程；含水量；数值分析

收稿日期：2014-04-23

基金项目：安徽省教育厅高校自然科学重点项目(KJ2012A061)

作者简介：邢维忠(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：路基处理。

中图分类号：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

膨胀土是由强亲承性粘土矿物蒙脱石、伊利石组成的高塑性粘性土，具有较大的往复胀缩性。膨胀土的膨胀与收缩是由于膨胀土与水体系中水介质的相互作用而引起土中内应力改变的结果。因此，在水分变化的影响下膨胀土表现出不同的性质。当膨胀土遇水浸泡后，土体发生膨胀，体积增大，反之在干燥状态下膨胀土体将产生严重干缩龟裂。就膨胀土路基而言，由于气候影响以及地表水的侵蚀，路基土体发生湿胀和干缩的反复作用，土体龟裂，强度降低，同时受到上部交通荷载长期重复的作用，使路面发生变形并不断地积累增大，最终导致路面崩溃[1-4]。

合肥市是我国膨胀土覆盖的典型地区之一，同时也区属亚热带湿润季风气候，一年中的降水量呈季节性分配，其中春夏季降水占全年降水量的68.1%，导致地基土含水量随季节改变而变化。随着水分的迁移和转化，膨胀土反复的干缩湿胀，最终导致土体的有效凝聚力下降，使得土体的强度降低，不利于道路建设[5]。

目前，膨胀土路基处理方法有：换土、湿度控制、改性处理。其中改性处理[6-7]主要是利用石灰、水泥或其它固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理，达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳性的目的。但掺灰处治工程量大，污染环境，不适合城市膨胀土路基处理；而湿度控制则是在路基的两侧设置两布一膜进行防渗，避免膨胀土与外界大气直接接触，减少膨胀土内部的水分迁移，降低由于降雨引起的土体中含水量变化所导致的土体变形，从而有效的控制膨胀土的变形[8]。

为了解土工膜防渗处理合肥地区膨胀土的效果，采用通用有限元软件ABAQUS模拟降雨作用下，防渗和不防渗时合肥十里店道路路基中土的含水量变化的规律，分析相同降雨条件下不同防渗深度的防渗效果以及对路基含水量分布的影响。研究结果可为工程设计和数值计算的参数取值提供参考。

2路面结构组成

以合肥市十里店路为研究对象，路面结构如图1所示。分析时作如下假定：(1)路面各结构层为连续均质、各向同性的线弹性材料，力学特性用弹性模量E和泊松比μ表征(其材料参数见表1)；(2)路面各结构层在垂直方向完全连续；道面结构响应分析时，底基层和路床界面设置接触对，但按粗糙连接考虑；(3)按平面应变问题分析。取计算轴载100kN，接地压力0.7MPa。

表1　路面材料参数

3非稳态渗流有限元分析

(1)防渗方案及几何模型。图2为数值计算的几何模型。防渗深度为500mm、1000mm、1500mm的三种防渗方案。

图2防渗方案几何模型

划分单元后的有限元模型，见图3所示。

(2)材料参数及边界条件

(a)物理特性

合肥十里店路基土物理性质见表2所示。

(b)流量边界

合肥地区的大到暴雨主要集中在7月分，降水量为181.5mm[1]，降水时间较短，可取降水时间为5天，则：降水量为181.5÷5=36.5mm/d。由于土体渗透系数较低，因此对于不同的孔压应采取不同的边界条件。①流量边界条件：地表孔压不为0时，0.0365÷24=0.00152m/h；②水头边界条件：地表孔压为0时，地表基质吸力为0。

4渗流计算结果与分析

数值计算通过通用有限元软件ABAQUS实现。采用ABAQUS软件进行了在4种降雨情况下路基中含水量计算。分别为无防渗方案；方案一防渗0.5m；方案二防渗1.0m；方案三防渗1.5m情况下的路基含水量。路基中不同位置节点标记如图4所示。图5～8为采取防渗措施和不采取防渗措施时降雨后路基中饱和度分布云图。

图5为非防渗方案，降雨作用引起的含水量变化直接作用在路床部分，路床含水量变化大。对于膨胀土路基，土体中含水量的变化以及分布决定了路基的变形。如图6～8所示，采用土工膜在不同深度进行防渗后，防渗深度内的土体含水量变化幅度明显减小，土体中含水量的变化范围主要位于未进行防渗的区域，并且随着防渗深度的增加，防渗效果更加明显，从而减降雨小对膨胀土路基的影响。由以上分析可知：未采用土工膜时，由于渗流作用，路基含水量明显增加，土体遇水膨胀，发生变形，导致破坏路面；采用土工膜防渗后，土工膜阻隔了水的渗流通道，降低了防渗深度内路基土的含水量变化幅度，从而达到减小路基变形的目的，而且随着防渗深度的提高，路基上部荷载增大，产生排水固结的效果，进一步减小路基变形。

图9为路基中节点2-2(如图4所示)含水量时程曲线。其中，W指无防渗方案，F1～F3分别指防渗方案一～方案三。图中含水量随时间的变化表明，含水量一般是在降雨后一段时间才能达到最大值，采用防渗措施后，曲线较为平缓，防渗可以起到减小膨胀土含水量变化的作用，从而减小变形。

图10为路基下1.0m处路基含水量分布图。有图可看出：与初始含水量(25%)相比，随着防渗深度的加深，路基含水量变化幅度减小，含水量沿横断面分布曲线也较为平缓，含水量分布较为均匀。相应的，减小了路基的横断面上的不均匀变形，从而有效降低了路基变形的不均匀性。

5结论

(1)路基采用土工膜防渗处理后，降雨条件下路基含水量变化幅度明显下降，主要是因为防渗阻隔了水分渗流的通道，延长了渗流路径，减少膨胀土内部的水分迁移，降低了大气作用对土体含水量的影响。

(2)路基土膨胀变形取决于含水量变化；随着防渗膜的防渗深度的提高，防渗膜的阻隔效果越加明显，防渗深度内土体含水量变化幅度减小，从而减小路基变形。另一方面，随着防渗深度的增加，上部荷载也逐渐增大，从而产生排水固结的效果，进一步减小由防渗膜下部路基土含水量变化所引起的路基变形。

(3)采用土工膜防渗减小了含水量沿路基横断面的变化幅度，降低了土体中含水量分布的不均匀性。相应的，土工膜防渗可以减小路基土的不均匀变形，从而防止由于路基不均匀变形引起的路面破坏。

参考文献

1中华人民共和国城乡建设环境保护部.GBJ112-87,膨胀土地区建筑技术规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

2吴法宝,杨文华.浅谈公路路基破坏原因及防护措施[J].广东建材, 2011,(07):129-130.

3梁全辉.膨胀土路基病害与防治[J]. 大众科技, 2010,(09):98-107.

4张嘉翔，姜淑花.浅谈当宜高速公路膨胀土性质与路基稳定问题[J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2010,4(26):424-428.

5周俊,朱江,蔡俊.合肥近郊旱地土肥流失与降雨强度的关系[J]. 水土保持学报,2000,14(3):92-95.

6连继峰，杨有海.铁路路基膨胀土填料改良试验研究[J]. 铁道标准设计,2011,11(1):20-23.

7陈涛.膨胀土路基石灰改性试验研究[J]. 路基工程,2008,1(2):88-93.

8张湧，谢宝玉，郝中海.膨胀土路基处理技术研究[J] .