降雨條件下氣泡輕質土擋墻的滲流分析

孫萬民

摘要：為了揭示氣泡輕質土的滲流特性，基于Richards方程，運用COMSOL Multiphysicis有限元軟件分析不同降雨強度、降雨持時以及滲透系數對氣泡輕質土的滲流特性的影響。結果表明：1）在降雨持時相同的情況下，隨著降雨強度的增大降雨入滲的深度越深，且小雨或中雨情況下降雨入滲速度緩慢，當雨強由大雨增加至暴雨時，入滲深度明顯增大;2）在降雨強度一定的情況下，隨著降雨持時的增加，降雨入滲的深度逐漸增加，但增加的速度呈現減小的趨勢;3）在降雨強度和持時不變的情況下，降雨入滲的深度隨著氣泡輕質土滲透系數的增加而增加，但增加的速度呈現減小的趨勢。

關鍵詞：氣泡輕質土;降雨;滲流;數值模擬

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，迫切需要對現有道路改擴建進行升級[1]。泡沫輕質土作為一種利用物理方法混合形成輕質流態的建筑材料，可根據工程實際需求調節配合比、密度和強度等基礎指標[2-4]。我國自2002年開始引進并發展了泡沫輕質土技術，至今已在多個建設工程中廣泛應用，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]。由于自身輕質的特點，氣泡輕質土作為路基填料性能優越，可有效減小拓寬部分路基由于自重而產生的附加應力，從而達到減輕新舊路基間的不均勻沉降問題[6-7]，多年來在道路改擴建工程中得到了廣泛應用。

鑒于此，本文以福建省沙埕灣跨海公路通道工程為背景，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，為泡沫輕質土在工程中的應用提供依據。

1 計算原理及模型的建立

1.1 計算原理

降雨入滲水分運動連續方程是在飽和-非飽和滲流方程的基礎上而產生，通常降雨入滲研究為二維范疇，可表示為[8]：

1.2 研究區概化模型

本文計算模型以福建省沙埕灣跨海公路通道工程為工程地質原型，在已有路基的基礎上，采用氣泡輕質土作為路基填料進行道路的擴建。其中輕質土分為兩個階梯，第一階梯寬2.5m，厚1.0m，第二階梯寬5.0m，厚2.2m。另外，氣泡輕質土上為0.7m厚路面基層，路基右側為20cm厚的C25混凝土擋墻。通過簡化處理概化計算模型如圖1所示。

1.3 計算初始與邊界條件

土壤水分計算方程的定解條件通常包括初始條件和邊界條件。此處設置初始水位為-10m作為模型的初始條件，模型計算邊界為第二類邊界條件，其中路面部分為降雨邊界，在COMSOL中，Richards方程模擬降雨計算邊界主要采用入口邊界，模型的兩側及底部均采用無流動邊界。

1.4 參數設置

土樣源自研究區路基，通過濾紙法測得含水率與吸力的關系，并采用Van Genuchten模型（式2）進行參數標定，如表1

2 氣泡輕質土滲流特性分析

2.1 雨強的影響

降雨主要影響為雨強和持時，其中雨強等級可劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨。本文選取5mm/d、17mm/d、36mm/d、75mm/d和100mm/d（即各中值）分別作為小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨強度進行模擬分析。

降雨持時相同的情況下，隨著降雨強度的增大降雨入滲的深度越深。以200h為例，當雨強為小雨或中雨時，降雨入滲速度緩慢，降雨對氣泡輕質土層含水率幾乎沒有影響（濕潤峰深度小于0.7m）;當為大雨時，降雨才開始對氣泡輕質土層含水率產生影響（濕潤峰深度大于0.7m），如雨強分別為36mm/d、75mm/d和100mm/d時，濕潤峰深度分別約為1.1m、2.7m和3.3m，當雨強由大雨增加至暴雨時，入滲深度明顯加快。

2.2 降雨持時的影響

隨著降雨持時的增加降雨入滲的深度越深，約從第65h時降雨開始對氣泡輕質土層含水量產生影響。當降雨持時分別為100h、150h、200h時，降雨入滲至氣泡輕質土層的深度分別約為0.85m、1.95m和2.65m，分別增加了1.1m和0.7m。可見降雨入滲的深度隨著降雨持時的增加而增加，但增加的速度逐漸減小，降雨入滲的深度逐漸趨于一個穩定值。

不同配比的氣泡輕質土具有不同的滲透系數，為更加全面的研究泡沫輕質土在工程中的應用提供依據，控制雨強、降雨持時等其它條件不變，分別取 、 、 、 和 作為氣泡輕質土的滲透系數進行計算，得到不同滲透系數下氣泡輕質土的體積含水率云圖如圖2所示。

由圖可知，降雨入滲的深度隨著氣泡輕質土滲透系數的增加而增加，即降雨入滲的速度隨著氣泡輕質土滲透系數的增加而增加。此外，泡輕質土滲透系數由 逐漸增加至 時，降雨入滲深度分別增加了0.65m、0.25m、0.18m和0.16m，可見增加的速度呈現減小的趨勢，即隨著氣泡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氣泡輕質土提供更科學的依據。

3 結論

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，進而對降雨條件下氣泡輕質土的滲流特性展開研究，得出如下結論：

（1）在降雨持時相同的情況下，隨著降雨強度的增大降雨入滲的深度越深。其中小雨或中雨情況下降雨入滲速度緩慢，降雨200h時入滲深度均未達到氣泡輕質土層，當雨強由大雨增加至暴雨時，入滲深度明顯增大。

（2）在降雨強度一定的情況下，降雨入滲的深度隨著降雨持時的增加而增加，但增加的速度逐漸減小，說明隨著降雨持時的增加，降雨入滲的深度將趨于一個穩定值。

（3）在降雨強度和持時不變的情況下，降雨入滲的深度隨著氣泡輕質土滲透系數的增加而增加（即降雨入滲的速度隨著滲透系數的增加而增加），但增加的速度呈現減小的趨勢。可為實際工程中合理的設計和應用氣泡輕質土提供更科學的依據。

參考文獻：

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[8]詹小軍. 強降雨條件下大孔隙斜坡非平衡滲流特性與失穩機理研究[D]. 碩士學位論文，福州： 福州大學，2017.