路面結(jié)構(gòu)S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)性能分析

劉毓氚， 張川

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

0 引言

路面結(jié)構(gòu)中水分的增加將會(huì)顯著引起土體結(jié)構(gòu)彈性模量降低[1]， 增加車轍深度. 為緩解水對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的不利影響， 通常在路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置適當(dāng)?shù)呐潘Y(jié)構(gòu)[2]， 如在路肩側(cè)設(shè)置排水溝, 在基層與路基之間設(shè)置碎石排水層或鋪設(shè)土工織物. 傳統(tǒng)的排水措施僅限于排除土體飽和條件下水分， 而無(wú)法排除非飽和條件下積水. 非飽和條件， 即土體孔隙中不含水或所含水的體積未充滿整個(gè)孔隙. 根據(jù)非飽和滲流原理[3]， 此時(shí)土體中具有較高的基質(zhì)吸力， 土體的滲透率隨著基質(zhì)吸力增大而急劇下降， 并且粗顆粒土體的滲透率比細(xì)顆粒土體下降的更快[4]. 因此， 非飽和條件下采用在基層下方鋪設(shè)碎石排水層或土工織物的傳統(tǒng)排水措施， 將會(huì)在接觸面處形成毛細(xì)屏障阻擋基層中的水分下滲到排水層. 水在基層中積聚導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低， 當(dāng)基質(zhì)吸力降低到“突破吸力”值時(shí)， 基層土體的滲透率等于排水層材料， 此時(shí)水分才會(huì)進(jìn)入排水層被排出路面結(jié)構(gòu). “突破吸力”到來(lái)的時(shí)間越短， 意味著排水系統(tǒng)開(kāi)始排水的時(shí)間越早， 則上層土體中就能保持較大基質(zhì)吸力.

眾多學(xué)者對(duì)解除路面結(jié)構(gòu)的中毛細(xì)屏障展開(kāi)了研究. 美國(guó)FIT公司研發(fā)一種芯吸纖維土工織物[4]， 該種芯吸纖維采用親水性材料結(jié)合纖維表面較深的溝槽大大增強(qiáng)了土工織物在非飽和條件下排水的能力， Zornberga等[5-6]開(kāi)展的室內(nèi)試驗(yàn)也證明該種芯吸纖維土工織物具備非飽和條件下排水的能力. Stormont等[7-9]提出復(fù)合土工合成材料排水系統(tǒng)(GCBD)理論， 該排水系統(tǒng)由水力傳導(dǎo)層、 防滲層和隔離層組成. Stormont等在研究中采用玻璃纖維土工織物作為水力傳導(dǎo)層， 能夠?qū)崿F(xiàn)非飽和條件下排水， 但由于玻璃纖維在制造業(yè)中應(yīng)用少， 制成的土工織物成本較高.

本文在GCBD理論的基礎(chǔ)上， 提出以親水性材料制成的非編織土工織物為水力傳導(dǎo)層和隔離層、 S型排水板為防滲層組成復(fù)合土工合成材料新型路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng). 該排水系統(tǒng)理論上兼有在非飽和條件下排水和防止水分入滲到路基的性能， 但在實(shí)際應(yīng)用中效果尚不明確， 并且水力傳導(dǎo)層土工織物各參數(shù)在何值時(shí)能發(fā)揮最大解除毛細(xì)屏障的能力尚待研究. 為此， 首先開(kāi)展室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)在人工降雨條件下監(jiān)測(cè)基層和路基土體的基質(zhì)吸力和體積含水量變化來(lái)反映新型路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)的效能， 其次通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性， 最后分析土工織物Van Genuchten參數(shù)a值、 飽和滲透率和厚度取不同值時(shí)其排水性能的變化， 并為各參數(shù)建議取值范圍.

1 S型復(fù)合土工材料路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)

S型復(fù)合土工材料路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)由水力傳導(dǎo)層、 防滲層(S型排水板)和隔離層組成， 如圖1所示. 該系統(tǒng)以非飽和土滲流原理為依據(jù)， 目的是實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)在非飽和條件下排出入滲水分.

S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)組成形式如圖2所示， 水力傳導(dǎo)層和隔離層采用的是親水性材料制成的非織造土工織物[10]， 由于該種土工織物具有大于傳統(tǒng)碎石排水層的水力傳導(dǎo)系數(shù)并在基質(zhì)吸力較低時(shí)仍保持較大值[11]， 所以采用該種土工織物能實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)在非飽和狀態(tài)下的側(cè)向排水. 其較小的孔隙還能避免周圍土體顆粒進(jìn)入防滲層中造成S型排水板淤堵. S型排水板是防滲層的組成結(jié)構(gòu)， 根據(jù)其土水特性曲線上進(jìn)水值只有幾毫米的特點(diǎn)， S型排水板可阻隔水力傳導(dǎo)層中的水分向下滲透.

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 非織造土工織物和S型排水板都能在工廠進(jìn)行機(jī)械化大批量生產(chǎn)， 其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益均大于傳統(tǒng)碎石排水層， 且具備施工方便、 用途廣泛和建成的道路路面質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn).

圖1 S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)斷面

圖2 S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)組成形式

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證所提出的S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)在非飽和條件下排水的有效性， 在自制模型箱中構(gòu)建小型路面結(jié)構(gòu)并采用人工降雨系統(tǒng)模擬自然降雨， 通過(guò)安裝在基層和路基中的監(jiān)測(cè)傳感器顯示的數(shù)據(jù)變化來(lái)體現(xiàn)排水系統(tǒng)的效能.

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?80 cm×20 cm×58 cm， 如圖3所示. 從上到下分別為基層、 S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)和路基[12-14]. 基層厚度為150 mm， 由水、 水泥、 沙子和碎石組成. 路基土壤采用砂質(zhì)粘土厚度為400 mm， 最大干密度為1.60 g·cm-3， 最優(yōu)含水量為14.0%.

基質(zhì)吸力由位于不同位置的張力計(jì)持續(xù)監(jiān)測(cè)， 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)， 根據(jù)實(shí)測(cè)基質(zhì)吸力值和土水特性曲線計(jì)算土壤的體積含水量. S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)的排水體積由非織造土工織物通過(guò)塑料集水管排至量筒中， 基層的排水體積由表面開(kāi)有孔的集水管收集[12-14]， 如圖4所示.

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖(單位： mm)

圖4 排水量收集

2.3 試驗(yàn)步驟

圖5 人工降雨系統(tǒng)

首先， 利用人工降雨系統(tǒng)模擬降雨90 min， 人工降雨系統(tǒng)由降雨管、 供水管、 壓力表、 控制閥連接組成， 如圖5所示. 在試驗(yàn)過(guò)程中， 通過(guò)控制供水管內(nèi)的水壓來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度. 降雨之后， 測(cè)試水槽的頂部被一層塑料薄膜覆蓋， 以減少水的蒸發(fā). 試驗(yàn)數(shù)據(jù)共記錄500 min (包括降雨90 min和雨停后410 min)， 基質(zhì)吸力由預(yù)先安裝在模型內(nèi)部的張力計(jì)測(cè)量， 各結(jié)構(gòu)層的排水體積通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的排水路線進(jìn)入量筒中進(jìn)行收集測(cè)量.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

基層變化結(jié)果如圖6所示， 由于試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處傳感器失靈， 因此只記錄了測(cè)點(diǎn)3、 4、 7的變化. 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中， 室內(nèi)模型的基層始終處于非飽和狀態(tài). 基質(zhì)吸力在第100 min時(shí)降到最低， 為18 kPa. 基層的體積含水率在模擬降雨過(guò)程中逐漸上升但未到達(dá)飽和含水率值. 圖6中：Ψ為基質(zhì)吸力值；θ為體積含水率， 下同.

圖7所示為路基監(jiān)測(cè)結(jié)果， 從圖7中可看出， 新型排水系統(tǒng)還起到了防止水滲入路基的作用， 并且在試驗(yàn)過(guò)程中路基保持干燥. 不同的是， 其中有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的吸力值減小了， 而另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的吸力值保持不變. 這種現(xiàn)象可能是由于模型箱體兩側(cè)縫隙中有少量水分進(jìn)入路基引起的.

圖6 室內(nèi)試驗(yàn)基層變化

圖7 室內(nèi)試驗(yàn)路基變化

3 數(shù)值分析模型構(gòu)建與驗(yàn)證

3.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型使用了Geostudio(2007版)中的Seep/W模塊， 數(shù)值模型中路面結(jié)構(gòu)形式、 尺寸、 材料與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致， 如圖8所示.

圖8 數(shù)值模型

將模型表面的降雨強(qiáng)度設(shè)置為25 mm·h-1， 持續(xù)90 min. 模型的底部和左側(cè)為零流量邊界， 右側(cè)為自由排水邊界. 數(shù)值模型所使用的材料為Van Genuchte方程[15]預(yù)測(cè)的土水特性曲線和滲透性函數(shù)， 見(jiàn)下式， 具體參數(shù)取值如表1所示， 土水特性曲線和滲透性函數(shù)曲線如圖9所示.

(1)

式中：θ，θr，θs為體積含水率、 殘余體積含水率和飽和體積含水率；ks為飽和滲透系數(shù)；Ψ為基質(zhì)吸力；a，n，m為曲線擬合參數(shù)， 其中n=1/(1-m).

表1 材料參數(shù)

圖9 材料的非飽和滲透特性

3.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致. 圖10為基層數(shù)值計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖. 其中實(shí)測(cè)值大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果， 原因可能是在試驗(yàn)過(guò)程中， 張力計(jì)中的氣體沒(méi)有完全排出， 使得測(cè)量的吸力值較大.

圖10 新型路面排水系統(tǒng)基層變化

圖11所示為路基數(shù)值計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 基質(zhì)吸力初始值存在差異的原因是數(shù)值軟件中計(jì)算初始基質(zhì)吸力按照水壓力沿地下水位向上延伸計(jì)算的[16]， 室內(nèi)模型不受地下水位的影響. 從圖11中可知數(shù)值分析與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致， S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)發(fā)揮了防止水分向下滲透的作用， 路基始終保持初始狀態(tài).

圖11 新型路面排水系統(tǒng)路基變化

4 參數(shù)分析

通過(guò)以上論述， 數(shù)值模型很好地?cái)M合了室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果， 并且S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)路基非飽和狀態(tài)下排水的功能. 但從式(1)中可知， 土工織物的Van Genuchte模型中不同的參數(shù)取值會(huì)對(duì)材料滲透性產(chǎn)生影響[17-19]. 為研究S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)中水力傳導(dǎo)層土工織物的參數(shù)影響， 分別分析Van Genuchte 參數(shù)a值、 土工織物飽和滲透率ks、 土工織物厚度kt取不同值時(shí)對(duì)毛細(xì)屏障和突破時(shí)間產(chǎn)生的影響， 各參數(shù)取值范圍詳見(jiàn)表2. 表中ksg為土工織物飽和滲透率；ksc為水泥穩(wěn)定碎石飽和滲透率.

表2 分析參數(shù)取值范圍

圖12 參數(shù)分析模型設(shè)計(jì)圖

參數(shù)分析模型如圖12所示， 模型寬0.5 m， 土工織物上下各有0.3 m的水泥穩(wěn)定碎石， 模型的頂部模擬室內(nèi)試驗(yàn)的降雨條件， 土工織物和水泥穩(wěn)定碎石的起始參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)相同， 見(jiàn)表1， 在土工織物上方和下方間隔0.1 m布置體積含水率和基質(zhì)吸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn).

4.1 土工織物產(chǎn)生的毛細(xì)屏障作用

兩種不同滲透性的材料接觸時(shí)， 不可避免會(huì)在接觸面形成毛細(xì)屏障[20]. 圖13所示為在模擬降雨入滲過(guò)程中“突破”發(fā)生時(shí)， 有無(wú)土工織物水力傳導(dǎo)層的兩個(gè)模型的孔隙水壓力對(duì)比圖. 圖13(a)中由于土工織物發(fā)揮了毛細(xì)屏障的作用， 入滲水聚集于土工織物層產(chǎn)生水平向排水， 而下層碎石材料始終處于高基質(zhì)吸力狀態(tài). 圖13(b)為同一時(shí)間但不含土工織物層的模型， 因?yàn)闆](méi)有了毛細(xì)屏障作用導(dǎo)致水分一直向下滲透， 整個(gè)斷面的孔隙水壓力呈階梯上升， 并且由于水分在模型底部積聚使得底部材料的基質(zhì)吸力降低更快.

當(dāng)“突破”發(fā)生時(shí)土工織物上方碎石材料達(dá)到的基質(zhì)吸力越高或突破時(shí)間到來(lái)越早時(shí)， 意味著土工織物解除毛細(xì)屏障不利影響的能力越強(qiáng). 因此可采用“突破”時(shí)的基質(zhì)吸力和突破時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)不同參數(shù)取值對(duì)土工織物排水性能的影響[21-23].

圖13 孔隙水壓力分布圖

4.2 Van Genuchte參數(shù)a值

Van Genuchte模型參數(shù)a值， 其影響的是土水特性曲線中的進(jìn)氣值，a值增大則曲線向右移動(dòng). 根據(jù)“突破理論”，a值增大則土工織物與土層在土水特性曲線中的交點(diǎn)也會(huì)增大， 即土工織物可在較大的基質(zhì)吸力條件下將土層中的水排出[24]. 研究a不同取值時(shí)對(duì)毛細(xì)屏蔽作用的影響， 土工織物其他參數(shù)為ks=0.003 5 m·s-1，kt=5 mm， 對(duì)應(yīng)不同a值突破時(shí)各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的基質(zhì)吸力、 體積含水率、 突破時(shí)間如圖14所示.

從圖14中可知隨著a值的增大， 土工織物上方各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的基質(zhì)吸力值逐漸增大、 體積含水率逐漸減小， 土工織物下方各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)保持不變， 突破時(shí)間逐漸減小. 說(shuō)明a值的增大有效減小了土工織物上方產(chǎn)生的毛細(xì)屏障的效果. 但是a值不能無(wú)限制增大， 在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn), 當(dāng)a值取值大于10 kPa以后突破時(shí)間急劇縮短， 意味著水流將直接穿過(guò)土工織物進(jìn)入路基層， 則無(wú)法實(shí)現(xiàn)前述室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證的新型排水系統(tǒng)能防止雨水入滲到路基基層的效果. 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果建議a值取值在10 kPa左右.

圖14 a值對(duì)毛細(xì)屏障的影響

4.3 土工織物飽和滲透率ks

土工織物作為水力傳導(dǎo)層， 飽和滲透率是一個(gè)很重要的參數(shù)， 飽和滲透率越大意味著土工織物的排水能力越強(qiáng). 為了研究飽和滲透率的影響， 設(shè)置土工織物的飽和滲透率從水泥穩(wěn)定碎石的飽和滲透率開(kāi)始增大， 數(shù)值模擬結(jié)果如圖15所示. 在該研究中土工織物的其他參數(shù)取值為a=10 kPa，kt=5 mm.

飽和滲透率體現(xiàn)了土工織物的排水性能， 從圖15可知， 隨著土工織物飽和滲透率的逐漸增大， 突破時(shí)土工織物上方各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的基質(zhì)吸力值逐漸增大， 體積含水率逐漸減下， 意味著土工織物飽和滲透率的增大也能有效減小毛細(xì)屏障的效果. 由實(shí)際工藝可知, 飽和滲透系數(shù)不能無(wú)限制增大， 因此結(jié)合數(shù)值結(jié)果建議ks取值范圍為0.01～0.10 m·s-1.

圖15 土工織物飽和滲透率對(duì)毛細(xì)屏障的影響

4.4 土工織物厚度kt

取土工織物不同厚度值進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)研究其對(duì)降低毛細(xì)屏障的影響， 該研究中土工織物的其他參數(shù)取值為ks=0.003 5 m·s-1，a=10 kPa.

數(shù)值模擬結(jié)果如圖16所示， 從圖16中可看出， 隨著土工織物厚度的改變， 突破時(shí)土工織物上方各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的基質(zhì)吸力、 體積含水率以及突破時(shí)間的變化都不大， 可知土工織物厚度對(duì)毛細(xì)屏障作用的影響并不顯著. 在目前公路建設(shè)中以采用級(jí)配碎石作為道路路基的排水層為主， 厚度大且對(duì)碎石材料要求高. 采用S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)可以降低道路鋪筑厚度、 節(jié)省施工成本， 并且鋪筑S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)比鋪筑級(jí)配碎石所需工期更短[25].

圖16 土工織物厚度對(duì)毛細(xì)屏障的影響

5 結(jié)語(yǔ)

1) 室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明， 在模擬降雨停止后10 min， 基層基質(zhì)吸力開(kāi)始回升并且在全過(guò)程基層的基質(zhì)吸力都沒(méi)有降低到零值； 全過(guò)程路基層的基質(zhì)吸力和體積含水率始終保持在初始值. 室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明S型復(fù)合土工合成材料排水系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)在非飽和條件下排水， 并保護(hù)路基免受水分侵害.

2) 數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)基本保持一致， 驗(yàn)證了數(shù)值模型建模和參數(shù)選取的正確性.

3) Van Genuchte參數(shù)a和土工織物飽和滲透系數(shù)ks是影響水力傳導(dǎo)層排水性能的主要參數(shù)， 隨著a值和ks的增大， 在非飽和條件下的排水效果越好. 結(jié)合分析結(jié)果和工程應(yīng)用實(shí)際， 建議a值取10 kPa左右，ks取值范圍為0.01～0.10 m·s-1. 而分析中發(fā)現(xiàn)土工織物厚度對(duì)減小毛細(xì)屏障作用的效果并不顯著， 給出厚度的參考取值范圍為10～15 mm.

4) 在本文研究的基礎(chǔ)上， 下一步需結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況研究S型復(fù)合土工合成材料排水系統(tǒng)的淤堵和耐久性等問(wèn)題， 評(píng)估S型復(fù)合土工合成材料排水系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效性.