降雨條件下泡沫輕質土滲流特性研究

孫萬民

（中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 250300）

0 引言

中國道路網建設始于20世紀80年代，如今許多道路相繼開始達到設計使用年限，由于交通量日益增大、路面損壞等原因，已經難以滿足日益增長的區域交通需求。為適應日益增長的交通量，國內許多地區都不得不對現有道路進行改擴建升級[1]。泡沫輕質土是一種利用物理方法混合形成輕質流態的新型建筑材料，現場施工時可根據實際工況調整配合比、密度和強度等指標[2-4]。自我國引進和研究泡沫輕質土技術以來，已在許多工程中投入使用并取得良好效果，如在隧道工程、道路的改擴建等工程中都發揮著重要作用[5-6]。

許多學者對道路改擴建中泡沫輕質土路基的沉降變形與差異沉降問題開展了研究，李思清等[7]通過現場試驗對泡沫輕質土路基變形進行長期監測，認為將泡沫輕質土應用于軟基段的道路改擴建有較大的優越性；嚴瓊等[8]采用有限差分法與離散元相結合的方法，對改擴建道路工程中泡沫輕質土路基和原路基的沉降變形進行模擬分析；楊春風等[9]基于有限元方法，分析泡沫輕質土用于拓寬路基時，不同填筑高度和拓寬寬度對路基基底沉降與應力的影響變化規律；尹紫紅等[10]運用有限元軟件，分析道路改擴建工程中氣泡輕質土路基分層填筑對路基應力特性與沉降變形的影響。

由以上可知，目前針對泡沫輕質土在軟基段道路改擴建工程中沉降變形的現場試驗研究、細觀分析以及宏觀分析均具有豐富的成果，但對持續降雨條件下道路改擴建工程中泡沫輕質土層的水分滲流場的研究較少。鑒于此，本文依托福建省沙埕灣跨海公路通道工程，基于Richards方程，運用COMSOL Multiphysicis有限元軟件對降雨條件下泡沫輕質土的滲流特性展開研究，為泡沫輕質土在道路改擴建工程中的應用提供理論依據。

1 計算原理及模型的建立

1.1 計算原理

本研究將降雨入滲過程簡化為二維模型，故基于Richards方程將水分運動連續方程表示為：

式中：Kx、Ky——分別為材料在x和y方向上的滲透系數；

Q——邊界流量。

1.2 研究區概化模型

本研究以福建省沙埕灣跨海公路通道工程為例建立有限元模型，采用泡沫輕質土作為路基填料擴建現有道路路基。通過簡化處理后，有限元模型概況和尺寸如圖1所示，模型尺寸高4.4m，長10m。路基層高3.4m，路基上方為0.7m厚的路面基層，泡沫輕質土路基右側設置0.2m厚的懸臂式擋土墻。原路基土層與泡沫輕質土層新舊路基結合部采用臺階處理，可減小新舊路基的不均勻沉降。

圖1 計算模型概況（單位：m）

1.3 計算初始與邊界條件

本研究設置初始水位為-10m作為有限元模型的初始條件，路面部分采用降雨邊界為入口邊界，模型的兩側及底部均采用無流動邊界，水頭隨初始水位的變化而變化，初始水位以下水頭隨深度的增加而增加，初始水位以上，水頭隨深度的增加而減小。

1.4 參數設置

原路基層土樣參數源自研究區，其中，飽和體積含水量（θr）、殘余體積含水量（θs）飽和導水率（ks）通過實驗室實驗測得。土水特征曲線通過濾紙法測得，并采用Brooks-Corey模型進行描述（通過Matlab進行擬合，進而獲得擬合參數α、n、m）。其余各土層參數相關文獻，各土層水分參數如表1所示。

表1 土層水分參數

2 泡沫輕質土滲流特性分析

2.1 降雨強度的影響

根據降雨等級劃分標準，本文選取6mm/d、18mm/d、40mm/d、80mm/d和100mm/d分別作為小型雨、中型雨、大型雨、暴雨和大暴雨的代表雨強，通過有限元軟件分析降雨條件下不同雨強對道路改擴建工程中泡沫輕質土層滲流的影響規律。

由計算結果可知，當降雨時長相同時，隨著雨強的增大，泡沫輕質土層滲流場的入滲深度越大。設置降雨時長為200h，當雨強為6mm/d或18mm/d時，雨水入滲速度緩慢，降雨入滲深度均小于0.7m，由此可知小型雨和中型雨對泡沫輕質土層水分滲流場影響較小；當雨強為40mm/d時，降雨入滲深度大于0.7m，可見大型雨在降雨200h才開始對泡沫輕質土層水分滲流場產生影響。當雨強分別為40mm/d、80mm/d和100mm/d時，降雨入滲深度分別約為1.1m、2.7m和3.3m，當雨強由大型雨增加至暴雨時，泡沫輕質土層的降雨入滲深度顯著增加。

2.2 降雨時長的影響

分析降雨條件下不同降雨時長對道路改擴建工程中泡沫輕質土層滲流的影響規律。由計算結果可知，當降雨強度相同時，隨著降雨時長的增加，泡沫輕質土層水分滲流場的入滲深度也隨之增加，約從第65h時降雨開始對泡沫輕質土層的水分滲流場產生影響。當降雨時長分別為100h、150h、200h時，泡沫輕質土層水分滲流場中降雨入滲深度分別約為0.85m、1.95m和2.65m，隨著降雨時長的增加，入滲深度分別增加了1.1m和0.7m。由此可知，降雨入滲深度隨著降雨時長的增加而增加，但降雨入滲深度增加的速度隨著降雨時長的增加而減小，最終降雨入滲深度隨著時長的增加逐漸趨于穩定。

2.3 滲透系數的影響

泡沫輕質土的滲透隨著配合比的變化而改變，影響著降雨過程中泡沫輕質土層的水分滲流場的變化，因此，將雨強、降雨時長等其它條件設置為一個定值，分別取1.0×10-7m·s-1、5.0×10-7m·s-1、1.0×10-6m·s-1、1.5×10-6m·s-1以及2.0×10-6m·s-1作為泡沫輕質土的滲透系數進行計算，分析降雨條件下不同泡沫輕質土滲透系數對道路改擴建工程中泡沫輕質土層滲流的影響規律。不同滲透系數下泡沫輕質土的體積含水率云圖如圖2所示。

圖2 不同滲透系數下路基土體積含水率云圖

由圖2可知，泡沫輕質土層水分滲流場的降雨入滲速度隨著滲透系數的增加而增加。此外，泡沫輕質土滲透系數由1.0×10-7m·s-1逐漸增加至2.0×10-6m·s-1時，降雨入滲深度分別增加了0.65m、0.25m、0.18m和0.16m。由此可知，隨著滲透系數的增加，滲流場中入滲深度增加的速度呈現減小的趨勢，且隨著泡沫輕質土滲透系數的增加降雨入滲的深度將趨于一個穩定值。由此可為實際工程中合理的設計和應用泡沫輕質土提供更科學的依據。

3 結束語

本文利用COMSOL Multiphysicis有限元軟件，通過對Richards方程采用入口邊界模擬降雨，進而對降雨條件下泡沫輕質土的滲流特性展開研究，得出如下結論：

（1）當降雨時長相同時，隨著降雨強度的增大滲流場的入滲深度隨之增加。其中小型雨或中型雨情況下降雨入滲速度緩慢，降雨200h時入滲深度均未達到泡沫輕質土層，當雨強由大雨增加至暴雨時，降雨入滲深度顯著增加。

（2）當降雨強度相同時，滲流場中入滲深度隨著降雨時長的增加而增加，但入滲深度的增加速度隨時長的增加而減小，最終入滲深度隨時長的增加逐漸趨于穩定。

（3）當降雨強度和時長相同時，隨著泡沫輕質土滲透系數的增加，入滲深度的增加速度呈減小的趨勢，且隨著泡沫輕質土滲透系數的增加入滲深度趨于穩定。