路面結構S型復合土工材料排水系統(tǒng)性能分析

劉毓氚， 張川

(福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108)

0 引言

路面結構中水分的增加將會顯著引起土體結構彈性模量降低[1]， 增加車轍深度. 為緩解水對路面結構造成的不利影響， 通常在路面結構中設置適當?shù)呐潘Y構[2]， 如在路肩側設置排水溝, 在基層與路基之間設置碎石排水層或鋪設土工織物. 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孔隙. 根據(jù)非飽和滲流原理[3]， 此時土體中具有較高的基質吸力， 土體的滲透率隨著基質吸力增大而急劇下降， 并且粗顆粒土體的滲透率比細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碎石排水層或土工織物的傳統(tǒng)排水措施， 將會在接觸面處形成毛細屏障阻擋基層中的水分下滲到排水層. 水在基層中積聚導致基質吸力降低， 當基質吸力降低到“突破吸力”值時， 基層土體的滲透率等于排水層材料， 此時水分才會進入排水層被排出路面結構. “突破吸力”到來的時間越短， 意味著排水系統(tǒng)開始排水的時間越早， 則上層土體中就能保持較大基質吸力.

眾多學者對解除路面結構的中毛細屏障展開了研究. 美國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合纖維表面較深的溝槽大大增強了土工織物在非飽和條件下排水的能力， Zornberga等[5-6]開展的室內試驗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層， 能夠實現(xiàn)非飽和條件下排水， 但由于玻璃纖維在制造業(yè)中應用少， 制成的土工織物成本較高.

本文在GCBD理論的基礎上， 提出以親水性材料制成的非編織土工織物為水力傳導層和隔離層、 S型排水板為防滲層組成復合土工合成材料新型路面結構排水系統(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， 但在實際應用中效果尚不明確， 并且水力傳導層土工織物各參數(shù)在何值時能發(fā)揮最大解除毛細屏障的能力尚待研究. 為此， 首先開展室內模型實驗， 通過在人工降雨條件下監(jiān)測基層和路基土體的基質吸力和體積含水量變化來反映新型路面結構排水系統(tǒng)的效能， 其次通過數(shù)值模擬驗證模型的準確性， 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其排水性能的變化， 并為各參數(shù)建議取值范圍.

1 S型復合土工材料路面結構排水系統(tǒng)

S型復合土工材料路面結構排水系統(tǒng)由水力傳導層、 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)， 目的是實現(xiàn)路面結構在非飽和條件下排出入滲水分.

S型復合土工材料排水系統(tǒng)組成形式如圖2所示， 水力傳導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系數(shù)并在基質吸力較低時仍保持較大值[11]， 所以采用該種土工織物能實現(xiàn)路面結構在非飽和狀態(tài)下的側向排水. 其較小的孔隙還能避免周圍土體顆粒進入防滲層中造成S型排水板淤堵. S型排水板是防滲層的組成結構， 根據(jù)其土水特性曲線上進水值只有幾毫米的特點， S型排水板可阻隔水力傳導層中的水分向下滲透.

通過市場調研發(fā)現(xiàn)， 非織造土工織物和S型排水板都能在工廠進行機械化大批量生產(chǎn)， 其經(jīng)濟效益和環(huán)境保護效益均大于傳統(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量較高等優(yōu)點.

圖1 S型復合土工材料排水系統(tǒng)斷面

圖2 S型復合土工材料排水系統(tǒng)組成形式

2 室內試驗

2.1 試驗目的

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

2.2 試驗裝置

試驗模型尺寸為180 cm×20 cm×58 cm， 如圖3所示. 從上到下分別為基層、 S型復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%.

基質吸力由位于不同位置的張力計持續(xù)監(jiān)測， 試驗結束時， 根據(jù)實測基質吸力值和土水特性曲線計算土壤的體積含水量. S型復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塑料集水管排至量筒中， 基層的排水體積由表面開有孔的集水管收集[12-14]， 如圖4所示.

圖3 室內試驗設計圖(單位： mm)

圖4 排水量收集

2.3 試驗步驟

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. 在試驗過程中， 通過控制供水管內的水壓來調節(jié)降雨強度. 降雨之后， 測試水槽的頂部被一層塑料薄膜覆蓋， 以減少水的蒸發(fā). 試驗數(shù)據(jù)共記錄500 min (包括降雨90 min和雨停后410 min)， 基質吸力由預先安裝在模型內部的張力計測量， 各結構層的排水體積通過預先設計的排水路線進入量筒中進行收集測量.

2.4 試驗結果

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

圖7所示為路基監(jiān)測結果， 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， 并且在試驗過程中路基保持干燥. 不同的是， 其中有兩個測點的吸力值減小了， 而另外兩個測點的吸力值保持不變. 這種現(xiàn)象可能是由于模型箱體兩側縫隙中有少量水分進入路基引起的.

圖6 室內試驗基層變化

圖7 室內試驗路基變化

3 數(shù)值分析模型構建與驗證

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)值模型中路面結構形式、 尺寸、 材料與室內試驗保持一致， 如圖8所示.

圖8 數(shù)值模型

將模型表面的降雨強度設置為25 mm·h-1， 持續(xù)90 min. 模型的底部和左側為零流量邊界， 右側為自由排水邊界. 數(shù)值模型所使用的材料為Van Genuchte方程[15]預測的土水特性曲線和滲透性函數(shù)， 見下式， 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 模型驗證結果

數(shù)值模型計算結果與室內試驗結果基本一致. 圖10為基層數(shù)值計算結果與室內試驗結果的對比圖. 其中實測值大于數(shù)值計算結果， 原因可能是在試驗過程中， 張力計中的氣體沒有完全排出， 使得測量的吸力值較大.

圖10 新型路面排水系統(tǒng)基層變化

圖11所示為路基數(shù)值計算結果與室內試驗結果進行對比， 基質吸力初始值存在差異的原因是數(shù)值軟件中計算初始基質吸力按照水壓力沿地下水位向上延伸計算的[16]， 室內模型不受地下水位的影響. 從圖11中可知數(shù)值分析與室內試驗保持一致， S型復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

通過以上論述， 數(shù)值模型很好地擬合了室內試驗的結果， 并且S型復合土工材料排水系統(tǒng)能實現(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)取值會對材料滲透性產(chǎn)生影響[17-19]. 為研究S型復合土工材料排水系統(tǒng)中水力傳導層土工織物的參數(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取不同值時對毛細屏障和突破時間產(chǎn)生的影響， 各參數(shù)取值范圍詳見表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)分析模型設計圖

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試驗的降雨條件， 土工織物和水泥穩(wěn)定碎石的起始參數(shù)與室內試驗相同， 見表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吸力監(jiān)測點， 共計8個測點.

4.1 土工織物產(chǎn)生的毛細屏障作用

兩種不同滲透性的材料接觸時， 不可避免會在接觸面形成毛細屏障[20]. 圖13所示為在模擬降雨入滲過程中“突破”發(fā)生時， 有無土工織物水力傳導層的兩個模型的孔隙水壓力對比圖. 圖13(a)中由于土工織物發(fā)揮了毛細屏障的作用， 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吸力狀態(tài). 圖13(b)為同一時間但不含土工織物層的模型， 因為沒有了毛細屏障作用導致水分一直向下滲透， 整個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吸力降低更快.

當“突破”發(fā)生時土工織物上方碎石材料達到的基質吸力越高或突破時間到來越早時， 意味著土工織物解除毛細屏障不利影響的能力越強. 因此可采用“突破”時的基質吸力和突破時間來評價不同參數(shù)取值對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氣值，a值增大則曲線向右移動. 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也會增大， 即土工織物可在較大的基質吸力條件下將土層中的水排出[24]. 研究a不同取值時對毛細屏蔽作用的影響， 土工織物其他參數(shù)為ks=0.003 5 m·s-1，kt=5 mm， 對應不同a值突破時各測點測得的基質吸力、 體積含水率、 突破時間如圖14所示.

從圖14中可知隨著a值的增大， 土工織物上方各測點測得的基質吸力值逐漸增大、 體積含水率逐漸減小， 土工織物下方各測點的數(shù)據(jù)保持不變， 突破時間逐漸減小. 說明a值的增大有效減小了土工織物上方產(chǎn)生的毛細屏障的效果. 但是a值不能無限制增大， 在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn), 當a值取值大于10 kPa以后突破時間急劇縮短， 意味著水流將直接穿過土工織物進入路基層， 則無法實現(xiàn)前述室內試驗驗證的新型排水系統(tǒng)能防止雨水入滲到路基基層的效果. 根據(jù)數(shù)值模擬的結果建議a值取值在10 kPa左右.

圖14 a值對毛細屏障的影響

4.3 土工織物飽和滲透率ks

土工織物作為水力傳導層， 飽和滲透率是一個很重要的參數(shù)， 飽和滲透率越大意味著土工織物的排水能力越強. 為了研究飽和滲透率的影響， 設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始增大， 數(shù)值模擬結果如圖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， 突破時土工織物上方各測點測得的基質吸力值逐漸增大， 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屏障的效果. 由實際工藝可知, 飽和滲透系數(shù)不能無限制增大， 因此結合數(shù)值結果建議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毛細屏障的影響

4.4 土工織物厚度kt

取土工織物不同厚度值進行數(shù)值模擬來研究其對降低毛細屏障的影響， 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， 突破時土工織物上方各測點測得的基質吸力、 體積含水率以及突破時間的變化都不大， 可知土工織物厚度對毛細屏障作用的影響并不顯著. 在目前公路建設中以采用級配碎石作為道路路基的排水層為主， 厚度大且對碎石材料要求高. 采用S型復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型復合土工材料排水系統(tǒng)比鋪筑級配碎石所需工期更短[25].

圖16 土工織物厚度對毛細屏障的影響

5 結語

1) 室內模型試驗結果表明， 在模擬降雨停止后10 min， 基層基質吸力開始回升并且在全過程基層的基質吸力都沒有降低到零值； 全過程路基層的基質吸力和體積含水率始終保持在初始值. 室內模型實驗結果表明S型復合土工合成材料排水系統(tǒng)能實現(xiàn)路面結構在非飽和條件下排水， 并保護路基免受水分侵害.

2) 數(shù)值模擬結果與室內模型試驗基本保持一致， 驗證了數(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. 結合分析結果和工程應用實際， 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)土工織物厚度對減小毛細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) 在本文研究的基礎上， 下一步需結合實際工程應用情況研究S型復合土工合成材料排水系統(tǒng)的淤堵和耐久性等問題， 評估S型復合土工合成材料排水系統(tǒng)的長期有效性.