温度作用下机场跑道土基中水气运移规律分析

张如如,赵　云,徐文杰,黄 博,凌道盛,韩黎明

(1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中国民航机场建设集团公司,北京 100101)



温度作用下机场跑道土基中水气运移规律分析

张如如1,2,赵云1,2,徐文杰1,2,黄 博1,2,凌道盛1,2,韩黎明3

(1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大学 岩土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中国民航机场建设集团公司,北京 100101)

摘要:针对机场道面“锅盖效应”现象,建立考虑水汽相变的一维有限元模型,通过数值方法模拟道面结构阻滞和环境温度共同作用下土基中的水分运移过程,分析季节性温度变化、初始温度、初始饱和度和道面结构等因素的影响.结果表明,温度降低会引起土基表层水分“富集”,主要影响深度为1 m,土体初始温度和初始饱和度越高,水分“富集”越明显；季节性温度变化对砂土含水量影响很小,黏土次之,粉质黏土最大,饱和度改变量可达6%左右；道面结构的存在对土基表层含水量影响十分显著,现场检测结果与分析结果规律较一致.

关键词：锅盖效应；道面阻滞；温度循环；粉质黏土；现场检测

“锅盖效应”是由李强等[1]率先提出,用于描述机场跑道道面结构下土层中水分富集的现象,并认为大面积砼道面结构的作用类似“锅盖”,改变了原地表与大气之间水分运移平衡.

在高速公路等工程中,环境变化引起地面结构下地基土体水分富集的现象已经引起人们的重视.李倩[2]、高志伟等[3]对新疆地区公路沥青路面覆盖层下路基含水量检测结果表明,路基浅层含水率随季节波动明显,且呈现出不断增加的趋势.Cui等[4-5]对法国某露天试验区压实粉土路基含水率和温度进行了长期监测,发现昼夜气温变化的主要影响深度在34 cm以内,而季节性温度变化影响深度可达2 m.杨洋等[6]研究了水蒸气的扩散运移对含水量的影响,认为在计算水气两相流问题时不可忽略.汪明武等[7-9]通过模型试验研究了石灰改良膨胀土中气态水的运移规律.赵刚等[10]通过模型试验研究了原状粉质黏土在冻融循环作用下水分运移过程.需要指出的是,Cui、杨洋等没有考虑道面结构对水气运移的影响.徐慧宁[11]、康海贵[12]、刘凯[13]、孙强[14]、韩子东等[15]对沥青和水泥道面结构及路基土体中的温度监测结果显示,昼夜温度变化在结构层内的影响深度在20 cm以内,季节性温度变化在结构层内传导的滞后效应不显著,在土层中的影响深度可达60 cm.

综上可见,影响道面(路面)结构下地基土体水气运移的因素众多.目前,“锅盖效应”形成条件、各种因素对“锅盖效应”的影响程度及影响机制尚不明确,考虑道面(路面)结构阻滞作用的机理研究更是少见报道.为此,本文以机场跑道作为研究对象,基于考虑水汽相变的温度场-渗流场耦合理论,数值分析季节性气温变化及道面结构阻滞作用对跑道土基水气运移的影响规律,定量揭示其对“锅盖效应”的贡献,并通过与某机场跑道土基含水率现场检测结果对比,验证分析结果的合理性.

1温度场-渗流场耦合分析模型

1.1分析模型

根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[16]规定,机场跑道结构层从上至下依次由面层、基层、垫层、土基组成,如图1所示.混凝土面层厚度不应小于200～240 mm,板间接缝经防水处理,以阻断土基与大气之间的水气交换.基层为水泥稳定层,厚度不小于300 mm.在水文或土质不良的地区一般设置垫层.土基包括压实填土和原地基土,其中压实填土是温度场与渗流场耦合作用的主要区域.本文取面层与基层总厚度为500 mm,没有垫层.

图1　机场道面结构简图Fig.1　A sketch of airport pavement structure

机场跑道宽度一般不小于45 m,远大于温度对土基的影响深度(表面2 m范围内),采用一维模型分析道面区中心及远离道面结构影响的土面区水气运移是可行的.与此同时,混凝土面层和基层导气和导水性远小于土体,而热传导系数远高于土体,忽略道面结构的透气和透水性及其对季节性温度变化的衰减和滞后作用[2,11-14].因此,本文采用如图2所示的2个模型进行对比分析.其中模型1高6 m,采用不透水、不透气边界模拟50 cm厚的道面结构；模型2高6.5 m,采用蒸发边界模拟土面区表面与环境间的水气交换.

图2　温度场￣渗流场耦合分析模型Fig.2　Coupling model for temperature and seepage field

1.2控制方程

假设土骨架不变形、孔隙液体为水,孔隙水不可压缩.根据质量和能量守恒定律,可以导出温度场和渗流场耦合作用的控制方程[17-18].

(1)

(2).

(3).

由于孔隙液体为水,分别用Sw和kw代替Sl和kl.在孔隙介质中,水的饱和度是基质吸力和温度的函数：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3模型参数

为分析道面下不同土类的水气运移规律,选择砂土、粉质黏土、黏土3种典型土体,表1给出了3种土体的主要物理参数,表中，ρB为质量密度，μ为黏度，cp为比定压热容，考虑土体渗透和持水特性的影响,图3给出了3种土体的土水特征曲线,如图4所示为3种土体相对渗透系数随饱和度的变化曲线.

表1　流体和土体物理参数

图3　土-水特征曲线Fig.3　Soil-water characteristic curves

图4　孔隙气体和孔隙液体相对渗透系数曲线Fig.4　Relative permeability curves for gas and liquid phase

1.4边界条件

1)上表面

根据1.1节分析,模型1和2上表面给定温度可表示为

θ=θ(t).

(8)

由于不考虑昼夜温差对土基含水量分布的影响,如无特别说明,θ(t)取季节性大气温度变化.主要城市近年温度记录表明,我国北方季节性温差显著高于南方,例如哈尔滨季节性温差高达40 ℃,而广州仅为15 ℃.本文以北京地区(季节性温差约为30 ℃)的季节性温度(如图5所示)作为上表面温度.

模型1上表面为不透水不透气边界,可表示为

(9)

模型2上表面采用自由蒸发边界

(10)

式中：γw为水的容重；E为蒸发强度.根据Penman-Wilson公式[6,20-21],E可表示为

(11)

图5　北京某地月平均气温曲线Fig.5　Monthly average temperature of Beijing

根据北京往年气象观测数据,郊区年蒸发量在1 800 mm/a左右[23].本文取风速u=0,平均气温25 ℃,大气相对湿度64%,土表面净辐射量8 MJ/(m2·d).由式(11)计算最大蒸发强度约6 mm/d.

(2)下表面

根据已有分析成果,温度等对水气运移的作用深度有限,一般在2 m深度以内,下表面边界条件的设置对研究深度范围内计算结果影响不大.为方便起见,设置下表面边界为不透水不透气的绝热边界,即

(12)

1.5初始条件

假定土基在最优含水率条件下填筑,且跑道铺设完成时计算深度范围内土体含水率均匀分布.砂土、粉质黏土和黏土的初始饱和度分别取0.36、0.5、0.6.初始温度取298 K(25 ℃).

2季节性温度变化影响分析

OpenGeoSys(OGS)是一款基于有限元方法的THMC多场耦合数值分析软件,在模拟多孔介质中的多场耦合问题上取得较好的成果[24-25].本文基于该软件分析了温度变化和结构阻滞对“锅盖效应”的作用.首先通过模型1分析不同类型土体、不同初始含水率、不同初始温度条件下表面温度变化对土基含水量分布的影响规律.为凸显温度变化的影响,本节对比分析了2个不同上表面温度边界,即图5所示季节性变化和恒温边界(25 ℃).

2.1土体类型对含水率分布的影响

图6　温度沿深度的分布曲线Fig.6　Temperature distribution curve along the depth

图7　饱和度沿深度的分布曲线Fig.7　Water saturation distribution curve along the depth

图8　温度变化引起的饱和度净增量沿深度的分布曲线Fig.8　Net saturation change distribution curve along the depth caused by temperature variation

结合土体的持水特性和渗透性,不难解释上述规律的合理性.当土体温度降低时,孔隙气体中少量气态水物理相变为液态水,同时孔隙气压力随温度降低而下降.由于基质吸力和含水量不能瞬时发生改变,孔隙流体压力随着孔隙气体压力下降而下降,引起孔隙水向上运移,导致表层土体水分“富集”.由于温度变化产生的水分富集是一个过程,“富集”的程度取决于土体的持水特性和渗透性：1)饱和度随基质吸力变化的梯度越大,水分“富集”作用越大；2)渗透性越大,水分“富集”过程滞后和衰减越小,同时,“富集”的水分越容易消散.由于饱和度随基质吸力变化的梯度很小,黏土的水分“富集”程度较小,但分布明显；由于孔隙水的渗透系数大,砂土水分“富集”现象很弱.比较而言,粉质黏土饱和度随基质吸力变化的梯度较黏土大,而渗透性较砂土小,容易因气温降低导致水分“富集”.为进一步研究季节性温度变化对“锅盖效应”的长期影响,如图10所示给出了5个季节性温度变化周期内粉质黏土表面饱和度改变量随时间变化的曲线.由图10可以看出在没有水分补给的条件下,重力作用引起土基表层饱和度不断降低, 温度下降引起的表层水分“富集”程度逐渐降低.

图9　土基表面饱和度随时间变化Fig.9　Saturation-time curve of subgrade surface

图10　土基表面饱和度净增量变化曲线Fig.10　Net saturation change curve of subgrade surface

2.2初始含水率、初始温度的影响

图11　初始饱和度对饱和度增量的改变Fig.11　Net saturation change effected by initial saturation

图12　初始温度对饱和度增量的改变Fig.12　Net saturation change effected by initial temperature

3道面结构阻滞作用影响分析

如图13所示给出了5 a内饱和度沿深度分布曲线,如图14所示为模型1(道面区)与模型2(土面区)饱和度差值随深度的变化曲线.由图14可以看出,蒸发导致土面区表层2 m范围内饱和度大幅降低,其中h= -1～0 m内甚至降至残余饱和度0.03.由于结构阻滞作用,道面区土体不受蒸发作用影响,饱和度沿深度变化相对较小,土层表面饱和度比20 cm深度处高2%～5.5%.h=-1 m深度范围内,道面区土体饱和度比同深度土面区土体高30%～45%.

图13　粉质黏土中饱和度沿深度分布曲线Fig.13　Saturation distribution curve of silty clay alone depth

图14　模型1与模型2饱和度差值分布曲线Fig.14　Saturation difference between model 1 and 2

4某机场跑道土体含水率现场检测

为进一步探究机场跑道道面区和土面区含水率沿深度的分布规律,于2014年7月底对山西某机场进行了跑道土基含水率检测.该机场跑道大致呈南北走向,道面由4.5 m×4.5 m的混凝土板铺成,宽45 m.道面结构厚50 cm,未设稳定层.检测断面距跑道北端400 m,在跑道中心线东侧共布置4个钻孔,如图15所示.其中,1#、2#、3#孔位于道面区,分别距跑道中心线2.25、11.25、20.25 m,4#孔位于土面区,距道面结构边缘3.8 m.土基以粉质黏土为主,表层有10～20 cm厚的素填土.钻孔表明,地下水位埋深较浅,约在地表下5 m左右.

图15　机场检测钻孔位置布置Fig.15　Drilling hole position distribution in airport

土体质量含水率采用烘干法测量,检测结果如图16所示.结果表明: 1)当h=-2～-0.5 m时,1#、2#、3#、4#孔含水率w由深层至浅层不断降低；2)1#、2#、3#孔表层含水率较1 m处高2%左右(饱和度高约6%),4#孔含水率在0.5 m处降至12%,较2#孔同深度土体含水率低8%左右；3)当h=-5～-2 m时,土体含水率近似均匀分布,接近饱和含水率.可见,含水率升高区域在土基表层0.5 m内,1 m以下受道面结构的影响较小.现场含水率分布检测结果与计算所得水分分布规律较一致.

图16　现场检测含水率沿深度分布Fig.16　Field test moisture content distribution along depth

5结论

本文对温度作用下机场跑道土基水气运移“锅盖效应”进行了有限元分析及现场检测,得到如下结论：

(1)季节性气温变化对道面区土基水分运移有明显的影响.随着气温降低,土基表层水分“富集”,土体饱和度增大,气温变化对土基饱和度的影响深度一般不超过2 m.土体渗透性和持水特性显著影响水分“富集”程度,计算和现场测试条件下,温度变化引起的粉质黏土饱和度改变可达6%,而砂土层饱和度分布几乎不受气温变化影响.另外,土体初始饱和度、初始温度越高,土基表层水分“富集”现象越明显.

(2)道面结构严重阻滞道面区土基与大气间的水气运移,道面区土基表层土体饱和度明显高于土面区同深度处土体饱和度,在气温变化共同作用下甚至出现表层50 cm内土体饱和度高于其下部土体的现象,具有“锅盖效应”特征.

(3)在没有水分补给条件下,道面区土基表层土体饱和度在重力作用下不断降低,气温变化导致的表层水分“富集”现象也逐渐减弱.

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Water-gas migration analysis in runway subgrade soil under influence of temperature

ZHANG Ru-ru1,2, ZHAO Yun1,2, XU Wen-jie1,2,HUANG Bo1,2,LING Dao-sheng1,2,HAN Li-ming3

(1.MOEKeyLaboratoryofSoftsoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.ChinaAirportConstructionGroupCorporation,Beijing100101,China)

Abstract:A simplified one-dimensional finite model was developed to study the “pot-cover” phenomenon in airport runways taking water-vapor phase change into consideration. Moisture movement process in subgrade soils was numerically simulated under the influence of pavement structure’s blocking effect and environmental temperature. The influence of seasonal temperature change, initial temperature, initial saturation and pavement’s blocking effect were analyzed. Results showed that water content in subgrade surface enriched with the decrease of temperature. The main influence depth was 1 m. The water enrichment phenomenon was enhanced with the rising of initial saturation and temperature. Seasonal temperature change affected silty clay the most, maximum saturation change of which could reach nearly 6%, the second for clay, while water content in sand is relatively less affected. The existence of pavement structure has significant influence on moisture distribution. The analysis results accorded with in-situ test results．

Key words:pot-cover effect; blocking effect; temperature cycling; silty clay; in-situ test

收稿日期：2015-06-03.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家“973”重点基础研究发展计划项目(2014CB047005).

作者简介：张如如(1991-)，男，硕士生，从事非饱和土方面等研究.ORCID：0000-0002-6854-2872.E-mail: zhangruru111@126.com通信联系人：徐文杰，男，博士.ORCID：0000-0002-1716-8251.E-mail: wenjiexu84@gmail.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.003

中图分类号：TU 411

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)05-0822-09