壓實方式影響路基濕度場演變規(guī)律數(shù)值試驗研究

柳志軍

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，力學與建筑工程學院，江蘇 徐州，221116)

路基工程病害問題一直是公路交通科技研究的重要課題，濕度是影響路基強度并導致病害的最顯著因素之一，路基濕度場的變化將使路基工程力學性能顯著改變[1]，為此，探究路基濕度場演變規(guī)律是研究和解決路基工程病害的核心問題之一[2]。降雨入滲路基是影響路基濕度場波動最常見形式[3-4]，而這種波動受公路狀態(tài)差異的影響，公路狀態(tài)差異的最大體現(xiàn)之一就是因公路等級不同而路基具備不同壓實度[5]，壓實度變化直接導致路基土的孔隙比產(chǎn)生改變進而對水遷移過程產(chǎn)生較大影響[6]，即作為重要因素，壓實度顯著影響雨水入滲路基后濕度場分布與演變。相關(guān)研究結(jié)果[7-15]表明目前這方面的研究及成果存在的主要問題是：(1) 研究主要基于一維土柱的入滲后濕度場的分布，而大多忽略了路基入滲為二維入滲分布問題；凡涉及二維入滲問題的研究目前也是僅考慮水由路基上部入滲，明顯與實際工況不符；凡涉及由邊坡入滲研究僅限于分析邊坡表層一定厚度的濕度場分布，未深入研究路基內(nèi)部主體濕度場入滲演變規(guī)律；(2) 對于路基狀態(tài)來說，未考慮壓實度在路堤各壓實區(qū)的組合變化，未反映出路基真實的壓實度狀態(tài)。因此，本文作者基于降雨二維入滲擾動路基濕度場方式，緊密貼合工程實際工況，研究不同壓實度以及壓實區(qū)組合條件下的路基濕度場演變規(guī)律，為路基設計和病害防治工作提供理論參考。

1 試驗方案設計

采用專業(yè)土體有限元滲流數(shù)值分析軟件SEEP/W對降雨入滲路基濕度場演變過程進行模擬試驗分析。鑒于公路橫斷面整體在幾何尺寸上為中心軸對稱，因此取半幅進行研究。路基頂寬為13 m，路基高度為3 m，地基厚度為15 m，路基初始體積含水率為15.9%，地下水位為7 m，邊坡坡率為1:1.5。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分7 434 個單元、7 592 個節(jié)點。邊界條件為：路面、路肩以及中間帶不透水(表層設置為空材料)，入滲面為邊坡以及邊坡外地基，降雨強度為144 mm/d，降雨歷時4 d，見圖1。

圖1 路基濕度場數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of subgrade humidity field

從研究壓實度影響路基濕度場演變規(guī)律的需要角度，數(shù)值模擬試驗的路基按照取不同壓實度以及壓實度組合方式分為4 個試驗模型，見表1。讀測路基濕度的位置分別為距離路槽底下30，120 和250 cm 水平層位(分別代表路床區(qū)、上路堤區(qū)和下路堤區(qū))。

表1 試驗模型初始壓實度Table 1 Initial compaction degrees of test models

2 試驗測試與結(jié)果分析

2.1 土質(zhì)物理性質(zhì)

試驗測定土樣的液限為35.9%，塑限為21.0%，塑性指數(shù)(IP)為14.9，最佳含水率(質(zhì)量分數(shù))為11.6%，最大干密度為1.87 g/cm3。篩分顆粒分析見表2。

表2 土樣顆粒分析Table 2 Soil grain size analysis

2.2 水分運動參數(shù)試驗測試

基于Van Genuchten 模型，參照文獻[16]確定不同壓實度K 情況下水分特征曲線見圖2。

2.3 路基濕度場演變規(guī)律分析

施加降雨歷時4 d 后，各壓實度情況下的路基濕度場變化云圖見圖3。

由圖3 可知：降雨入滲引起了路基濕度場發(fā)生改變，雨水自邊坡滲入路基內(nèi)部濕度場，濕度等值線向路基內(nèi)部呈現(xiàn)弧形擴散形成了濕度擾動區(qū)，即由降雨入滲引起的邊坡至濕潤峰之間濕度異于初始濕度的區(qū)域。根據(jù)圖3 數(shù)值試驗結(jié)果，繪制不同壓實度條件下路基30 cm 層位的濕度分布見圖4。

圖2 水分特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curves

由圖4 可知：自坡表水平向路基內(nèi)側(cè)，在擾動區(qū)中濕度狀態(tài)由飽和過渡到非飽和并終降至初始濕度。而延著擾動區(qū)擴展的前進方向，整個濕度擾動區(qū)又可劃分為前、后2 個區(qū)域：后區(qū)為靠近邊坡一側(cè)，其表現(xiàn)為濕度較大、梯度較小(與路基坡表濕度相差10%之內(nèi))；前區(qū)為靠近濕度前鋒一側(cè)，其表現(xiàn)為濕度較小、梯度較大。降雨歷時相同，受到路基壓實度的影響，前區(qū)和后區(qū)的范圍差異較明顯，其基本規(guī)律為：濕度擾動區(qū)范圍和濕度隨壓實度增大而減小，前擾動區(qū)的曲線變陡，濕度梯度不斷增大。為此，針對路基30 cm層位，分別繪制的擾動區(qū)擴距、距邊坡不同位置的濕度以及前擾動區(qū)濕度梯度隨壓實度變化規(guī)律見圖5～7。

由圖5 和圖6 可知：擾動區(qū)擴距和濕度2 個特征量都隨著路床壓實度的增加而逐漸降低，這表明壓實度增大路基土空隙率減小，結(jié)構(gòu)致密使得水分入滲遷移越發(fā)困難。基本變化規(guī)律符合Dw=aK+b 線性遞減，其中Dw為特征量；K 為路基土壓實度；參數(shù)a 和b計算時受降雨強度、歷時和路基初始濕度3 個因素的主要影響。另外，在計算濕度時還需考慮點位因素影響，計算點位愈靠近邊坡則線性關(guān)系愈明顯。由圖7可知： 前擾動區(qū)濕度梯度隨著壓實度呈G=0.03K-2.46(R2=0.98)線性遞增，其中G 為前擾動區(qū)濕度梯度，m2/m3；K 為路基土壓實度，%。

圖3 壓實度影響路基濕度場云圖Fig.3 Contours of subgrade humidity field affected by compaction degree

圖4 30 cm 層位濕度分布Fig.4 Humidity distributions at 30 cm horizon

圖5 擾動區(qū)擴距與壓實度關(guān)系Fig.5 Relationship between extended distance in disturbed zone and compaction degree

圖6 路基濕度與壓實度關(guān)系Fig.6 Relationship between subgrade humidity and compaction degree

圖7 前擾動區(qū)濕度梯度與壓實度關(guān)系Fig.7 Relationship between humidity gradient in front disturbed zone and compaction degree

濕度場云圖(圖3)中各圖對比顯示：圖3(a)和3(b)所示的單一壓實區(qū)狀況顯示擾動區(qū)濕度形態(tài)比較均一，而當路基壓實度進行分區(qū)后，圖3(c)和3(d)所示的濕度場形態(tài)明顯呈現(xiàn)階梯狀變化。為此，繪制120 cm 和250 cm 層位的路基濕度分布狀態(tài)見圖8。

圖8 路基不同層位濕度分布Fig.8 Humidity distributions at different subgrade horizons

由圖8 可知：具有壓實區(qū)組合狀態(tài)的路基濕度場根據(jù)組合方式不同其變化有所差異。主要表現(xiàn)為：對于邊坡表層來說，因其在強降雨下迅速達到飽和狀態(tài)，因此，無論壓實區(qū)采用何種組合方式，濕度變化規(guī)律與單一壓實區(qū)的情況相同，即壓實度相同處濕度相等；受到上部壓實區(qū)不同壓實度的影響，下部壓實區(qū)濕度場分布曲線出現(xiàn)了交叉現(xiàn)象，如圖8(a)所示，受到路床96%壓實度的影響，模型3 曲線上路堤濕度隨著向路基內(nèi)部延伸下降速度比模型1 曲線的快，2 條曲線出現(xiàn)了交叉；同樣圖8(b)表明：模型4 曲線的下路堤坡表濕度最大，隨著向路基內(nèi)部延伸，其濕度降速明顯比其他3 個曲線的快，其原因也是因為模型4 的路床和上路堤壓實度比其他3 個模型的大，這些都充分表明下部壓實區(qū)濕度受上部壓實區(qū)壓實度影響顯著。

為了獲得這種影響規(guī)律，基于模型4 開展試驗，保持整個路堤區(qū)壓實度為92%，而將路床區(qū)壓實度分別取92%，94%，96%和98% 4 種，經(jīng)過降雨試驗后讀取120 cm 層位、距離邊坡11 m 處(非飽和擾動區(qū))濕度受不同路床壓實度影響下的曲線見圖9。

圖9 路堤濕度與路床壓實度關(guān)系Fig.9 Relationship between embankment humidity and roadbed compaction degree

由圖9 可知：受路床壓實度影響，路堤濕度呈w=-0.009K+1.051(R2=0.96)線性遞減，其中w 為路堤濕度，m3/m3；K 為路床壓實度，%；此現(xiàn)象表明：雨水入滲路基速度矢量的豎向分量遠大于水平向分量，當上層壓實度較大時，水分向下遷移困難，造成下層濕度增量減小，因此下層路基濕度變化受上層路基壓實度影響顯著。

3 結(jié)論

(1) 降雨入滲路基產(chǎn)生濕度擾動區(qū)按照擴展的方向可劃分為前、后2 個區(qū)域，后區(qū)為靠近邊坡一側(cè)，其表現(xiàn)為濕度較大、梯度較小(與路基坡表濕度相差10%之內(nèi))；前區(qū)為靠近濕度前鋒一側(cè)，其表現(xiàn)為濕度較小、梯度較大。

(2) 由于壓實度增大后路基土體空隙率減小，結(jié)構(gòu)致密使得水分入滲遷移越發(fā)困難，因此，濕度擾動區(qū)擴距隨著路基壓實度的增加而呈線性減??；濕度隨著路基壓實度的增加而呈線性降低，且濕度測點位置愈靠近邊坡這種線性關(guān)系愈發(fā)明顯；前擾動區(qū)的濕度梯度隨著路基壓實度呈線性遞增。

(3) 在相同的降雨入滲條件下，受到路基壓實區(qū)組合方式影響，非飽和擾動區(qū)的下層路基濕度隨上層路基壓實度增加呈線性降低，表明雨水入滲路基速度矢量的豎向分量遠大于水平向分量，當上層壓實度較大時，水分向下遷移困難，造成下層濕度增量減小，下層路基濕度變化受上層路基壓實度影響顯著。

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