基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析

蘇偉翔

水是危害公路的主要自然因素。水的作用加劇了路基和路面結構的損壞,加快了路面使用性能的惡化,縮短了路面的使用壽命[1]。SEEP/W能有效地模擬多層路面結構的非飽和排水。本文基于前人非飽和土參數值的研究,運用有限元軟件針對帶裂(接)縫的瀝青路面和水泥混凝土路面結構進行滲流模擬,分析新建路面與帶裂縫路面結構雨水入滲量,路面內部排水系統對以上結構的排水性能改善程度。

1 路面結構層滲流模型

非飽和土與飽和土的根本區別在于,前者為三相體,部分空隙由氣體填充。Fredlund采用兩個獨立應力狀態變量進行非飽和土的理論應力分析。這兩個獨立應力狀態變量是凈法向應力(σ-μw)和基質吸力(μa-μw)。其中,σ為土體單元法向應力;μa為孔隙氣壓力;μw為孔隙水壓力。飽和土是非飽和土的一種特殊情形,即 μa-μw=0,因此只有一個應力狀態變量(σ-μw)。通常在工程應用中假定孔隙氣壓力與大氣壓強相等,于是μa=0,因此非飽和區的壓力勢就是負孔隙水壓力(-μw),即基質吸力就用負孔隙水壓力來衡量。

其中,y為距離地下水位的距離,水位以上為負,水位以下為正;γw為水的重度。對于非飽和滲流,土的滲透系數不是一個常數,而是一個與飽和度和含水量相關的變量,記作k(θ),其中θ為體積含水量。Richard(1931年)將Darcy定律應用到非飽和流中,并推導得出非飽和滲流基本微分方程:

其中,H為總水頭;kx,ky,kz分別為x,y,z方向的滲透系數。Richard方程可以分別由含水率、毛管壓力水頭等寫成不同的表達方式。由于無法求得解析解,一般采用數值方法進行求解。

2 瀝青路面接(裂)縫入水

Ridgeway直接在已使用多年的舊路面上進行表面水滲入率的測定試驗,建議采用接(裂)縫的滲入率作為指標,并提出設計值為100 cm3/(h·cm)。我國公路排水設計規范依據國內部分舊路面的表面水滲入率測定結果,采用 Ridgeway的指標,建議面層存在裂縫的瀝青路面的表面水滲入率設計值為0.625 cm3/(h·cm2)。依據所選取的設計滲入率,可以按瀝青路面接縫和裂縫的數量計算縱向每延米表面水設計滲入量:Q1=IaB+kpB。其中,Ia為每平方米有裂縫瀝青路面的表面水設計滲入率,m3/(d·m2);kp為表面水對每平方米未開裂路面表面的滲透率。

3 計算采用模型

采用上述中央分隔帶入水計算模型,本文通過研究降雨條件下瀝青路面接(裂)縫入水以及瀝青混凝土孔隙入水,采用重丘區高速公路橫斷面24.5 m,半幅2×3.75 m行車道+2.5 m硬路肩+0.75 m土路肩+3 m中間帶,行車道與硬路肩橫坡為2%,土路肩為4%。路面結構為18 cm瀝青混凝土面層+36 cm水泥穩定碎石(比選:排水基層)+20 cm水泥穩定砂礫底基層。路面設定為降雨邊界。雨型采用5年一遇2 h降雨歷時降雨強度8.4e-6m/s。瀝青路面行車道中間一條裂縫,路面與路肩處一條接縫,裂縫與接縫貫穿面層至基層頂面,寬度1 cm。

結構層材料的非飽和參數取值見表1,由于路面結構具有對稱性,分析模型取半幅剖面進行計算分析。面層為四邊形網格,單元格為0.025 m×0.025 m,共有960個。基層包括四邊形與三角形網格,單元格為0.025 m×0.025 m,共有4 008個。土基包括四邊形與三角形網格,單元格為0.05m×0.05 m,共10 068個。斷面共劃分單元格15 036個。

表1 模型參數取值

輸出結果選用兩行車道中心斷面(距離道路中線6 m),面層、基層與底基層結構中心點。鑒于路面結構的對稱性,本文選用路面左幅斷面進行非飽和滲流模擬,道路中心線斷面沒有水流交換,設定為 Q=0流量邊界,地下水位深3 m,結構底面設定為定水頭邊界H=0,路面與中央分隔帶為降雨邊界,裂縫周圍設定為定水頭邊界H=0。計算結果選取點位置示意圖見圖1。

4 計算結果分析

圖2為裂隙結構與新建路面結構基層降雨期間體積含水量分布。降雨1 h內,兩種結構的體積含水量接近,保持初始值6.5%。接下來1 h,裂隙結構基層體積含水量增長速度比新建路面快,截止到計算時間末t=7 200 s,裂隙結構基層體積含水量增加到飽和值24%,比新建路面基層體積含水量19%高5%,說明裂縫的存在將導致表面水入滲量大大增加。

圖3為雨停后面層體積含水量分布。排水基層結構面層由含水量飽和值8%降到5%用了24 h,而密級配基層結構體積含水量降到5%用了400 h。由于體積含水量5%接近面層材料的殘余含水量值4.6%,隨后面層的排水速率趨于平緩。說明排水基層能迅速排除面層中和積滯在層間的自由水。

5 結語

進行瀝青混凝土路面接(裂)縫降雨入滲模擬,假定行車道中間一條裂縫,路面與路肩處一條接縫,接(裂)縫寬 1 cm。接(裂)縫的存在導致結構層雨水滲入量大幅增加。對于密級配基層,入滲的自由水積滯在結構層與層間;面層下設置排水基層能迅速排除結構層中的雨水。

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[2]Paola Ariza,Bjorn Birgisson.Evaluation of Water Flow through Pavement Systems[R].Civil and Coastal Engineering Department,University of Florida,Florida,2002.

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[5]American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures.Washington,D.C.,1998.

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