自然降水作用下路基體內水分運移規律數值分析

李斌 黃啟舒

摘要：公路路基是路面的基礎，路基的強度及穩定性直接影響著路面的穩定，進而影響道路的提效能力。一般情況下路基穩定性的病害，諸如沉陷、沖刷、翻漿、坍塌等問題，均不同程度的與路基中的水分運移存在著直接的聯系。因此，對于路基體內水分運移規律及其與影響因素的研究，為路基設計與施工提供理論依據和技術參考、預防和整治路基病害具有重要的意義。

關鍵字：自然條件;公路路基;路基水分

1.算法基礎

1.1 控制方程

近似剛性多孔介質中水分運移的控制方程為：

1.2 初始及邊界條件

1.3 非飽和土水特性模型

非飽和土水分運移控制模型參數，即式（1）中K（h）和D（θ），是非飽和土體中水分運移的重要參數，且隨土體含水率的變化。本次計算采用的土水特征曲線的函數形式與的用于預測非飽和導水率的函數形式組合得到模型，見下式：

2.建立計算模型

以某填方路基斷面作為建模對象，模型體高為47m，底寬148m。對整個研究區域進行三角形離散化，選取默認的光滑因子，將模擬區域離散成最優的不規則三角形單元，共得到6553個，見下圖2所示。

2.1 介質參數

本次計算假定路基基礎及路基填料材料分別為含砂粒黏質土和亞粘土，粒徑分布及密度參數見下表1所示。模型中的材料區域按路基填方體和路基基底兩部分來定義，見圖3。

2.2 初始及邊界條件

本次計算假定初始條件為：（1）路基填方體的初始條件為：最佳含水率17.3%（即相應體積含水率θ為28.5%）;（2）路基基底部分的初始條件為：體積含水率從28.5%過渡35.47%呈線性分布（由于考慮地下水的影響，由上至下過渡假定）。

本次計算的假定邊界條件為：外部自然環境（包括日降雨量和日盤蒸發潛量），計算前統計某地一年內的降雨量和日盤蒸發潛量，近似每隔15天分別進行平均處理，結果見圖4、圖5所示。考慮到路面面層的滲透系數極小，將路基頂面部分假定為不透水邊界，路堤邊坡大氣接觸的地表部分為氣候流量邊界，地下部分采用自由滲透邊界。

3.計算及結果分析

3.1 土體內水分運移規律的變化過程

本次計算模擬了該模型在一個周期的自然氣象條件下，路基及路基基底體內水分含量分布及其運移規律。分析結果得出了不同時期模型土體內水分含量的等值線圖，例如：圖6表示為第270天時水分含量等值線。

由整個數值計算結果可以看出：

（1） 在周期邊界條件下，土體內水分在路基與基礎基底處，存在一個不連續的分割界面，基礎的水分含量小于路基體。原因為：1、基礎層材料顆粒結構中粘粒占到87%左右，基底層土粒間空隙的較路基層小，使水分更難進入;2、基礎層初始含水率大于路基層，其相鄰土粒表面的結合水膜相互交疊，阻礙了水分的向下運移。

（2） 在降水的邊界條件下，路堤兩側逐漸出現圓弧狀的滲透區域，路基邊坡兩側護坡道周圍表層土體含水率增大至飽和。

（3） 計算模型內水分在重力的作用下向下運移的同時又向上運移至地表排出。

（4） 根據計算結果，按照水分運移規律特征將模型分為3個區域，如上圖7所示。在整個周期運移過程中，路基與基礎的部分區域（3號區域）受自然氣候邊界條件影響較小。下圖8為3號區域在整個計算周期內路基中心不同深度含水率的變化曲線，可見路基部分基本水分運移發生，而基礎部分水分含量變化在2%以內，推測為水分在重力作用下的小幅向下運移。

基礎部分（1號區域）水分由于受到降雨和蒸發的影響而發生往復運移，但由于該層填料中假定粘粒含量占87%以上，使得整個運移過程較為緩慢;路基部分（2號區域）的水分運移變化受邊界條件影響較大，下圖9顯示了護坡道和坡腳地表以下3m處觀察點的水分含量變化過程曲線該特點非常明顯。

4.結束語

本文通過采用有限元計算對某填方路基在自然氣象條件下的水分運移進行計算，分析其運移規律，結果表明：（1）采用有限元法，對非飽和土土體內水分運移規律進行計算是可行的。（2）由于路基與基礎材料及其初始含水率的不同，在整個運移過程中會在基底處形成運移變化的不連續層。（3）在以降雨為主的邊界條件下，路基邊坡兩側會出現向內的圓弧狀滲透區域，且逐漸向下擴展，含水量增大至出現飽和區;當以蒸發為主的邊界條件下，水分一方面在重力作用下繼續向下運移，另一方面向上運移至地表排出。（4）結合本次計算模型，將模型區域分為3個區。其中，1號區域水分運移受邊界條件影響較小、2號區域受邊界條件影響較大，而3號區域基本不受影響。

【參考文獻】

[1]（加）D.G.弗雷德隆德（Delwyn G.Fredlund），（印尼）拉哈爾佐 （Harianto Rahardjo）著M;陳仲頤等譯.非飽和土力學[M].中國建筑工業出版社.1997.

[2]Feddes R.A.P.J.Kowalik，and H.Z.aradny，Similation of Field Water Use and Crop Yield，John Wiley&Sons，New York，NY，1978.