GCL用于路基水分場調控可行性及鋪設位置優化分析

劉志彬,王宇婷,羅婷倚,唐亞森,謝世平

(1.東南大學 交通學院,江蘇 南京 211189;2.東南大學 道路交通工程國家級實驗教學示范中心,江蘇 南京 211189;3.廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530028;4.天津中聯格林科技發展有限公司,天津 301617)

0 引 言

水分是影響路基強度和穩定性的重要因素,許多道路工程病害的發生都與路基土中水分的富集有密切關系[1]。降雨會改變施工或服役過程中路基土的含水量,從而影響路基土水分場分布[2]。我國北方地區存在季節性凍土,路基的周期性凍結與融化成為降低路基強度、影響路基使用性能并減少路基使用壽命的主要因素[3]。針對路基凍害,傳統的處治方法主要有換填、保溫、化學改良等[4-5]。換填法易于施工,但由于其耗資與換土深度密切相關,因此大范圍凍土換填成本較高,而由于難以獲得大量合適的換填土料,所以不適合偏遠地區的路基換填;保溫法使用的保溫材料易燃且運輸成本較高;化學改良法的原理是采用固化劑或抗水性能好的藥劑與土壤混合后通過一系列的物理化學反應來改善土的工程性質,該方法受施工工藝的限制,因此僅適用于特定地區的特定土。

土工復合膨潤土墊(geosynthetic clay liner,GCL)是一種在環境巖土領域中應用較廣的新型防滲材料[6-7]。GCL中間層是膨潤土,兩邊層是土工合成材料,通過針刺、縫合或粘貼最終形成一個復合整體[8]。GCL在各種條件下都可以保持很低的滲透系數,并具有較好的自修復能力[9-10]。良好的隔水性能使得GCL可有效減少路基土中水分的下滲和毛細水的上升現象。

單心雷[11]試驗研究了三維土工網對路基邊坡的防護效果,發現三維土工網能削弱降雨強度的影響,有效提高邊坡穩定性和抗沖蝕能力;黃俊杰等[12]通過室內1∶1模型試驗對復合土工膜封閉層隔水防滲效果進行了研究,結果表明復合土工膜可以有效阻止地表水下滲,且土工膜的耐久性較好;劉毓氚等[13]提出了S型復合土工材料排水系統,通過室內模型試驗和數值模擬研究了土工織物參數變化對系統排水能力的影響,證明土工織物的厚度對系統排水影響可以忽略不計;傅賢雷等[14]以4種赤泥滲濾液為滲透液,研究了GCL滲透系數變化規律,評價了預水化作用對GCL滲透系數的影響;白梅等[15]在天津市靜?？h楊成莊鄉村公路進行的GCL現場碾壓試驗表明,GCL即使在受到碾壓發生一定的損傷之后仍滿足抗滲要求;呂秋臻[16]模擬研究了不同鋪設深度的復合土工膜對機場跑道路基變形的影響,研究得到最佳埋設深度。

筆者通過室內模型試驗及數值模擬探討了GCL用于路基水分場調控的可行性。首先,采用室內模型試驗研究了GCL的隔水性能;然后,用有限元分析法模擬降水后在現場尺度下GCL對路基土水分場的調控規律;最后,基于比較分析,提出了GCL在路基填筑土中的優化鋪設位置。

1 土柱模型試驗

試驗所用土工布為天津中聯格林科技發展有限公司生產的顆粒型雙層無紡布,其滲透系數為4.38×10-11m/s。雙層無紡布之間夾厚薄均勻的膨潤土,下方加有一層塑料扁絲編織土工布,如圖1。上下無紡布克重均為270 g/m2,編織布克重為125 g/m2,樣品克重5 967 g/m2。

圖1 顆粒型雙層無紡布GCL截面示意

1.1 GCL阻斷毛細水試驗

1.1.1 試驗土樣

試驗所用土樣為低液限黏土,其液限、塑限分別為31.8%、17.5%,塑性指數為14.3,最優含水率為15%,最大干密度為1.914 g/cm3。

1.1.2 試驗儀器

試驗采用內徑為10 cm的有機玻璃筒,共有2節,每一節高度為50 cm,豎直方向沿筒壁每隔10 cm有一個直徑1 cm的取樣小孔并配有橡膠塞;上下節之間用法蘭連接并用墊圈止水,如圖2。

圖2 GCL阻斷毛細水試驗土柱模型

1.1.3 試驗步驟

1)控制試驗土樣初始含水率w0=12%,預先密封靜置12 h。

2)根據JTG E 40—2007《公路土工試驗規程》,將制備好的土樣按照90%壓實度裝入有機玻璃筒中,每次裝樣高度5 cm,按照式(1)計算所需土的質量m(單位:g):

(1)

式中:D為有機玻璃筒內徑,cm;h為每次裝填土樣高度,cm;Kd為壓實度,%;ρd, max為土樣的最大干密度,g/cm3;ω為土樣含水率,%。

3)將稱量好的土樣裝入玻璃筒中搗實,并保證每次填筑土柱高度為5 cm,直至土樣裝填至有機玻璃筒100 cm高度處。共制備3個土柱模型,其中2個在30 cm高度處鋪設GCL。

4)將土柱模型筒放入水槽中,使土柱底部浸沒水中并保證水槽內水面高度不變,以此來保障土柱內部毛細水上升過程的持續性和穩定性。

5)每隔1 h,分別從有機玻璃筒壁上不同高度小孔中取土樣,并測其含水率w。若w=w0,說明毛細水尚未上升到此處;若w>w0,說明毛細水已上升至此高度處。

1.1.4 試驗結果分析

繪制鋪設或未鋪設GCL土柱模型不同高度h處土體含水率w曲線,以及毛細水上升高度h′隨浸水時間t變化曲線,如圖3。由圖3可見:

圖3 鋪設及未鋪設GCL土柱中毛細水上升曲線

1)2組試驗中,取樣點的土體含水率w隨土柱高度h的增大而降低〔圖3(a)〕。未鋪設GCL試驗組,在h= 40～50 cm處,土體含水率發生了突變,h> 50 cm后,土體含水率基本穩定,約為12%,即毛細水上升的最高點在離地面40～50 cm之間。鋪設GCL試驗組,當GCL鋪設在距離模型底部30 cm處時,在h= 30～40 cm處土體含水率發生了突變,h> 40 cm后土體含水率基本穩定,約為12%,即毛細水上升的最高點在離地面30～40 cm之間。

2)圖3(b)中曲線的斜率即毛細水上升速率。鋪設GCL土體中毛細水的上升速率明顯低于無GCL土體的;經過約24 h浸水后,鋪設GCL土體內水分場達到穩定,毛細水上升未超過GCL層(30 cm),而未鋪設GCL土體毛細水上升最高達到43 cm,表明GCL在低液限黏土中起到較好的隔水作用。

1.2 降雨模擬試驗

1.2.1 試驗土樣

試驗所用土樣為100目的砂土。

1.2.2 試驗儀器

試驗儀器包括:直徑30 cm,上部開口、下部密封的不透水有機玻璃筒;FDR土壤水分溫度傳感器;MP406數據采集器;精度0.1 cm的刻度尺。

1.2.3 試驗步驟

1)預先配制含水率為1%的砂土。根據干土質量和含水率計算得出所需水的質量,然后向容器中灑入所需質量的水,邊灑水邊攪拌。

2)分兩層按90%的壓實度將土樣裝入筒內。其間,由下至上分別在距土柱底部10、20 cm處埋設FDR土體水分溫度傳感器。最終填筑的試驗土柱高度為23 cm。

3)共制備2個土柱模型,其中1個在距離土柱底部13 cm處鋪設一層GCL,如圖4。

圖4 降雨模擬試驗土柱模型(單位:cm)

4)用花灑向模型內土樣均勻灑水1 h,以模擬降雨情況。根據北方地區特大暴雨降雨條件,取降雨強度p= 50 mm/h[17-18],試驗圓柱筒橫截面積S= 706.86 cm2,因此小時灑水量V=S×p/10 = 3 534.30 cm3/h。

5)每隔1 min讀取一次 FDR數據,并換算出土體含水率w,直至含水率變化小于等于1%,結束試驗。

1.2.4 試驗結果分析

圖5為土體含水率w隨試驗時間t變化曲線。

圖5 土體w-lgt曲線

由圖5可見:

1)在試驗的最初40 min以內,鋪設及未鋪設GCL土柱模型下層土體的含水率基本保持穩定,約為2%;分別在100、50 min后,鋪設、未鋪設GCL土柱模型下層土體含水率開始增大,鋪設GCL下層土體含水率緩慢上升而未鋪設GCL下層土體含水率先迅速上升再逐漸下降,兩者的最大含水率分別達到8%、18%,最終分別穩定在8%、14%?？梢婁佋OGCL下層土體滲水相對較晚,滲水后土體最大含水率較低,表明GCL阻隔了土體內水分的下滲。

2)在試驗的最初30～40 min內,鋪設和未鋪設GCL土柱模型上層土體含水率均以較快速率上升并達到峰值;在約100 min后鋪設GCL上層土體含水率達到穩定狀態,約為27%,而未鋪設GCL上層土體在約300 min后其含水率才逐漸穩定,約為9%?？梢?鋪設GCL土柱模型上層土體含水率趨于平穩的時間早于未鋪設GCL土柱模型的,表明鋪設GCL可以阻隔水分下滲。

同時,測得試驗前、后GCL內部膨潤土的含水率分別為7.0%、50.2%,說明膨潤土吸水膨脹,從而起到了良好的隔水作用。

2 GCL鋪設位置優化

2.1 路基模型建立

2.1.1 參數設置

基于陳大路實際工程建立有限元計算模型,考慮到路基結構的對稱性,筆者選用路基的一半進行建模。主要參數:路基頂面寬度為13.0 m,路堤高度為3.0 m,坡度為1∶1.5。模型研究范圍:天然地面取至路基深度以下3.0 m,寬度取至路基坡腳外7.5 m。路基有限元計算幾何模型如圖6,由3個土層構成,土層厚度H、密度ρ、滲透系數k及含水率w等物理參數如表1。模擬過程將GCL定義為接觸面材料,材料模型選擇飽和、不飽和2種,分別根據體積含水量數據點函數和義滲透系數數據點函數擬合體積含水量與水壓參數及水傳導率與水壓參數。選擇平面四邊形和三角形劃分單元。

圖6 路基有限元計算幾何模型(單位:m)

路基土的土水特征用VG模型(2)[19]來描述:

(2)

式中:Se為土體飽和度;θw、θs、θr分別為土體體積含水量、飽和水含水量、剩余水含水量;hP為壓力水頭,m;α、n、m、l分別為曲線擬合參數,m=1-1/n[20]。

3個土層的VG模型參數見表2,GCL滲透系數為1×10-11m/s[21-23]。

表2 土層的VG模型參數

2.1.2 邊界條件

選定降雨時間為10 d,模擬至降雨結束后50 d,模擬時間共計60 d。模型上邊界設置降雨條件,降雨強度取40 mm/d,雨水入滲模式為垂直入滲。水分場左右邊界取透水邊界;定義地下水位距離天然地面3 m;取各個土層的天然含水量作為各土層水分場初始值。全局單元尺寸為0.3 m,共1 364個節點,1 297個單元。

2.2 數值模擬結果分析

實際工程中路面結構由面層、基層、底基層和功能層組成。面層具有低透水性能,基層和底基層具有足夠的耐久性和水穩定性,在地下水位高、排水不良的路段須設置相應的排水結構或邊緣排水系統以降低雨水滲入,避免路基土水分場升高,從而解決路基破壞問題。

筆者所建的模型沒有設置路面結構層,降雨可向下直接入滲到路基內部,屬于一種最不利工況,研究結果應用于實際工程中,安全系數會更高。

2.2.1 路基土孔隙水壓分布

降雨2個月后,未鋪設GCL路基土的孔隙水壓分布如圖7(a);鋪設單層GCL路基土孔隙水壓分布如圖7(b)～(d);鋪設雙層GCL路基孔隙水壓分布如圖7(e)、(f)。各工況GCL均鋪設于填土層中。

圖7 未鋪設GCL或在路基不同深度處鋪設單層或雙層GCL路基土孔隙水壓分布

由圖7可見:

1)在單層鋪設時,GCL鋪設位置不同,其調節土體內部水分場的作用也不同〔圖7(a)～(d)〕:鋪設在路面以下1.0 m處,調節效果最好;鋪設在路面以下0.5 m處,調節效果較好;鋪設在路面以下2.0 m處,調節效果不如前兩者。

2)在雙層鋪設時,將GCL鋪設于0.5 m + 1.0 m處與1.0 m + 2.0 m處〔圖7(e)、(f)〕,GCL的調控效果相差不大,考慮到經濟性,前者的鋪設方式較好。

3)對比圖7(b)、(e),顯然GCL雙層鋪設工況控制水分場的效果更好,但若經濟條件有限,GCL單層鋪設在路面以下1.0 m處工況也可較好地調控土體水分場,保持路基強度。

2.2.2 體積含水量

工況1GCL單層鋪設在路面以下1.0 m處。選擇GCL單層鋪設于路面以下1.0 m處的土體模型,分別取GCL上、下方0.3、0.6、0.9 m處的單元節點,測定土體體積含水量θw。體積含水量θw與模擬時間t的關系曲線如圖8。

圖8 距GCL不同距離處土體θw-t曲線

由圖8可見:

1)GCL下方0.3、0.6、0.9 m 3個部位土體的體積含水量曲線變化趨勢基本一致:t= 0～10 d時段,曲線呈現上升趨勢;t= 11～20 d時段,體積含水量達到最高值;t= 21～60 d,曲線呈下降趨勢。

2)比較而言,GCL下方0.3 m處土體的體積含水量增大或減小速度最大,大約在第20～25天體積含水量回落趨勢最先達到穩定狀態,且穩定后的含水量最低?？梢?GCL對于其下方0.3 m 范圍以內土體含水量的調控作用更明顯。

3)GCL上方0.3、0.6、0.9 m 3個部位土體的體積含水量曲線總體變化趨勢一致,且均比GCL下方3個部位土體體積含水量恢復快,從理論上驗證了室內模型試驗結果。

工況2未鋪設GCL。對于未鋪設GCL的路基土體,取與工況1中GCL下方 0.3 m處相同位置的單元進行上下層路基土含水量分析,結果如圖9。

圖9 未鋪設GCL上、下層土體θw-t曲線

由圖9可見:由于沒有GCL的防滲阻擋作用,t= 0～10 d時段,上層土體的體積含水量上升速率比下層的快,最高含水率也高于下層的;t= 11～61 d時段,由于雨水的下滲,上層土體的體積含水量快速減小,而下層土體的體積含水量逐漸增大;最終穩定后,下層土體的體積含水量高于上層土體的,這從理論上驗證了室內降雨-土柱模型試驗結果,即GCL具有十分重要的防滲作用。

3 結 論

開展了顆粒型雙層無紡布GCL阻斷毛細水上升試驗和降雨入滲土柱試驗,對GCL應用于調控路基土水分場的可行性進行了研究;采用數值模擬法對GCL調控路基水分場的作用進行了研究,分析了GCL鋪設層數與鋪設位置對水分場調節的影響規律。研究得到如下主要結論:

1)無論是在低液限黏土還是在砂土中,顆粒型雙層無紡布GCL均能發揮其優異的隔水性能,表現為對毛細水上升的阻斷和對土體內水分下滲的阻隔。

2)GCL雙層鋪設于路基中的效果略好于單層鋪設,而單層鋪設施工難度及成本均較低,同時也滿足路基強度。

3)GCL單層鋪設的最佳位置為路面以下1.0 m處。GCL對路基土水分場的調節能力在0.3 m范圍內最佳,鑒于GCL的撕裂與刺破強度較低,不適合將其鋪設到離地表太近處。

4)模擬分析中假定GCL沒有受到破壞,因而將其滲透系數取為常數,實際工程中須考慮其受工作環境及施工等因素影響而造成的結構損傷和滲透性變化。