降雨條件下泡沫輕質(zhì)土滲流特性研究

孫萬民

（中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

中國道路網(wǎng)建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，如今許多道路相繼開始達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，由于交通量日益增大、路面損壞等原因，已經(jīng)難以滿足日益增長的區(qū)域交通需求。為適應(yīng)日益增長的交通量，國內(nèi)許多地區(qū)都不得不對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改擴(kuò)建升級(jí)[1]。泡沫輕質(zhì)土是一種利用物理方法混合形成輕質(zhì)流態(tài)的新型建筑材料，現(xiàn)場施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整配合比、密度和強(qiáng)度等指標(biāo)[2-4]。自我國引進(jìn)和研究泡沫輕質(zhì)土技術(shù)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(kuò)建等工程中都發(fā)揮著重要作用[5-6]。

許多學(xué)者對(duì)道路改擴(kuò)建中泡沫輕質(zhì)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(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)泡沫輕質(zhì)土路基變形進(jìn)行長期監(jiān)測，認(rèn)為將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于軟基段的道路改擴(kuò)建有較大的優(yōu)越性；嚴(yán)瓊等[8]采用有限差分法與離散元相結(jié)合的方法，對(duì)改擴(kuò)建道路工程中泡沫輕質(zhì)土路基和原路基的沉降變形進(jìn)行模擬分析；楊春風(fēng)等[9]基于有限元方法，分析泡沫輕質(zhì)土用于拓寬路基時(shí)，不同填筑高度和拓寬寬度對(duì)路基基底沉降與應(yīng)力的影響變化規(guī)律；尹紫紅等[10]運(yùn)用有限元軟件，分析道路改擴(kuò)建工程中氣泡輕質(zhì)土路基分層填筑對(duì)路基應(yīng)力特性與沉降變形的影響。

由以上可知，目前針對(duì)泡沫輕質(zhì)土在軟基段道路改擴(kuò)建工程中沉降變形的現(xiàn)場試驗(yàn)研究、細(xì)觀分析以及宏觀分析均具有豐富的成果，但對(duì)持續(xù)降雨條件下道路改擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)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(yùn)用COMSOL Multiphysicis有限元軟件對(duì)降雨條件下泡沫輕質(zhì)土的滲流特性展開研究，為泡沫輕質(zhì)土在道路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算原理及模型的建立

1.1 計(jì)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(yùn)動(dòng)連續(xù)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(shù)；

Q——邊界流量。

1.2 研究區(qū)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(zhì)土作為路基填料擴(kuò)建現(xiàn)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(zhì)土路基右側(cè)設(shè)置0.2m厚的懸臂式擋土墻。原路基土層與泡沫輕質(zhì)土層新舊路基結(jié)合部采用臺(tái)階處理，可減小新舊路基的不均勻沉降。

圖1 計(jì)算模型概況（單位：m）

1.3 計(jì)算初始與邊界條件

本研究設(shè)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(cè)及底部均采用無流動(dòng)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(shù)設(shè)置

原路基層土樣參數(shù)源自研究區(qū)，其中，飽和體積含水量（θr）、殘余體積含水量（θs）飽和導(dǎo)水率（ks）通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測得。土水特征曲線通過濾紙法測得，并采用Brooks-Corey模型進(jìn)行描述（通過Matlab進(jìn)行擬合，進(jìn)而獲得擬合參數(shù)α、n、m）。其余各土層參數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)，各土層水分參數(shù)如表1所示。

表1 土層水分參數(shù)

2 泡沫輕質(zhì)土滲流特性分析

2.1 降雨強(qiáng)度的影響

根據(jù)降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)，通過有限元軟件分析降雨條件下不同雨強(qiáng)對(duì)道路改擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)土層滲流的影響規(guī)律。

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)降雨時(shí)長相同時(shí)，隨著雨強(qiáng)的增大，泡沫輕質(zhì)土層滲流場的入滲深度越大。設(shè)置降雨時(shí)長為200h，當(dāng)雨強(qiáng)為6mm/d或18mm/d時(shí)，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(duì)泡沫輕質(zhì)土層水分滲流場影響較小；當(dāng)雨強(qiáng)為40mm/d時(shí)，降雨入滲深度大于0.7m，可見大型雨在降雨200h才開始對(duì)泡沫輕質(zhì)土層水分滲流場產(chǎn)生影響。當(dāng)雨強(qiáng)分別為40mm/d、80mm/d和100mm/d時(shí)，降雨入滲深度分別約為1.1m、2.7m和3.3m，當(dāng)雨強(qiáng)由大型雨增加至暴雨時(shí)，泡沫輕質(zhì)土層的降雨入滲深度顯著增加。

2.2 降雨時(shí)長的影響

分析降雨條件下不同降雨時(shí)長對(duì)道路改擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)土層滲流的影響規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度相同時(shí)，隨著降雨時(shí)長的增加，泡沫輕質(zhì)土層水分滲流場的入滲深度也隨之增加，約從第65h時(shí)降雨開始對(duì)泡沫輕質(zhì)土層的水分滲流場產(chǎn)生影響。當(dāng)降雨時(shí)長分別為100h、150h、200h時(shí)，泡沫輕質(zhì)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(shí)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(shí)長的增加而增加，但降雨入滲深度增加的速度隨著降雨時(shí)長的增加而減小，最終降雨入滲深度隨著時(shí)長的增加逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 滲透系數(shù)的影響

泡沫輕質(zhì)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(zhì)土層的水分滲流場的變化，因此，將雨強(qiáng)、降雨時(shí)長等其它條件設(shè)置為一個(gè)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(zhì)土的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析降雨條件下不同泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)對(duì)道路改擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)土層滲流的影響規(guī)律。不同滲透系數(shù)下泡沫輕質(zhì)土的體積含水率云圖如圖2所示。

圖2 不同滲透系數(shù)下路基土體積含水率云圖

由圖2可知，泡沫輕質(zhì)土層水分滲流場的降雨入滲速度隨著滲透系數(shù)的增加而增加。此外，泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)由1.0×10-7m·s-1逐漸增加至2.0×10-6m·s-1時(shí)，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(shù)的增加，滲流場中入滲深度增加的速度呈現(xiàn)減小的趨勢，且隨著泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)的增加降雨入滲的深度將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。由此可為實(shí)際工程中合理的設(shè)計(jì)和應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土提供更科學(xué)的依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文利用COMSOL Multiphysicis有限元軟件，通過對(duì)Richards方程采用入口邊界模擬降雨，進(jìn)而對(duì)降雨條件下泡沫輕質(zhì)土的滲流特性展開研究，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)降雨時(shí)長相同時(shí)，隨著降雨強(qiáng)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(shí)入滲深度均未達(dá)到泡沫輕質(zhì)土層，當(dāng)雨強(qiáng)由大雨增加至暴雨時(shí)，降雨入滲深度顯著增加。

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

（3）當(dāng)降雨強(qiáng)度和時(shí)長相同時(shí)，隨著泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)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(zhì)土滲透系數(shù)的增加入滲深度趨于穩(wěn)定。