劉志彬,王宇婷,羅婷倚,唐亞森,謝世平

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 211189;2.東南大學(xué) 道路交通工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,江蘇 南京 211189;3.廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530028;4.天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司,天津 301617)

0 引 言

水分是影響路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素,許多道路工程病害的發(fā)生都與路基土中水分的富集有密切關(guān)系[1]。降雨會(huì)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(chǎng)分布[2]。我國(guó)北方地區(qū)存在季節(jié)性凍土,路基的周期性凍結(jié)與融化成為降低路基強(qiáng)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(duì)路基凍害,傳統(tǒng)的處治方法主要有換填、保溫、化學(xué)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(guān),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(yuǎn)地區(qū)的路基換填;保溫法使用的保溫材料易燃且運(yùn)輸成本較高;化學(xué)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(xué)反應(yīng)來改善土的工程性質(zhì),該方法受施工工藝的限制,因此僅適用于特定地區(qū)的特定土。

土工復(fù)合膨潤(rùn)土墊(geosynthetic clay liner,GCL)是一種在環(huán)境巖土領(lǐng)域中應(yīng)用較廣的新型防滲材料[6-7]。GCL中間層是膨潤(rùn)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(gè)復(fù)合整體[8]。GCL在各種條件下都可以保持很低的滲透系數(shù),并具有較好的自修復(fù)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(xì)水的上升現(xiàn)象。

單心雷[11]試驗(yàn)研究了三維土工網(wǎng)對(duì)路基邊坡的防護(hù)效果,發(fā)現(xiàn)三維土工網(wǎng)能削弱降雨強(qiáng)度的影響,有效提高邊坡穩(wěn)定性和抗沖蝕能力;黃俊杰等[12]通過室內(nèi)1∶1模型試驗(yàn)對(duì)復(fù)合土工膜封閉層隔水防滲效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明復(fù)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(fù)合土工材料排水系統(tǒng),通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了土工織物參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)排水能力的影響,證明土工織物的厚度對(duì)系統(tǒng)排水影響可以忽略不計(jì);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(shù)變化規(guī)律,評(píng)價(jià)了預(yù)水化作用對(duì)GCL滲透系數(shù)的影響;白梅等[15]在天津市靜?？h楊成莊鄉(xiāng)村公路進(jìn)行的GCL現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)表明,GCL即使在受到碾壓發(fā)生一定的損傷之后仍滿足抗?jié)B要求;呂秋臻[16]模擬研究了不同鋪設(shè)深度的復(fù)合土工膜對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道路基變形的影響,研究得到最佳埋設(shè)深度。

筆者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬探討了GCL用于路基水分場(chǎng)調(diào)控的可行性。首先,采用室內(nèi)模型試驗(yàn)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(xiàn)場(chǎng)尺度下GCL對(duì)路基土水分場(chǎng)的調(diào)控規(guī)律;最后,基于比較分析,提出了GCL在路基填筑土中的優(yōu)化鋪設(shè)位置。

1 土柱模型試驗(yàn)

試驗(yàn)所用土工布為天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的顆粒型雙層無紡布,其滲透系數(shù)為4.38×10-11m/s。雙層無紡布之間夾厚薄均勻的膨潤(rùn)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(xì)水試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)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(shù)為14.3,最優(yōu)含水率為15%,最大干密度為1.914 g/cm3。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

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

圖2 GCL阻斷毛細(xì)水試驗(yàn)土柱模型

1.1.3 試驗(yàn)步驟

1)控制試驗(yàn)土樣初始含水率w0=12%,預(yù)先密封靜置12 h。

2)根據(jù)JTG E 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,將制備好的土樣按照90%壓實(shí)度裝入有機(jī)玻璃筒中,每次裝樣高度5 cm,按照式(1)計(jì)算所需土的質(zhì)量m(單位:g):

(1)

式中:D為有機(jī)玻璃筒內(nèi)徑,cm;h為每次裝填土樣高度,cm;Kd為壓實(shí)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(shí),并保證每次填筑土柱高度為5 cm,直至土樣裝填至有機(jī)玻璃筒100 cm高度處。共制備3個(gè)土柱模型,其中2個(gè)在30 cm高度處鋪設(shè)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(nèi)水面高度不變,以此來保障土柱內(nèi)部毛細(xì)水上升過程的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

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

1.1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

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

圖3 鋪設(shè)及未鋪設(shè)GCL土柱中毛細(xì)水上升曲線

1)2組試驗(yàn)中,取樣點(diǎn)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(shè)GCL試驗(yàn)組,在h= 40～50 cm處,土體含水率發(fā)生了突變,h> 50 cm后,土體含水率基本穩(wěn)定,約為12%,即毛細(xì)水上升的最高點(diǎn)在離地面40～50 cm之間。鋪設(shè)GCL試驗(yàn)組,當(dāng)GCL鋪設(shè)在距離模型底部30 cm處時(shí),在h= 30～40 cm處土體含水率發(fā)生了突變,h> 40 cm后土體含水率基本穩(wěn)定,約為12%,即毛細(xì)水上升的最高點(diǎn)在離地面30～40 cm之間。

2)圖3(b)中曲線的斜率即毛細(xì)水上升速率。鋪設(shè)GCL土體中毛細(xì)水的上升速率明顯低于無GCL土體的;經(jīng)過約24 h浸水后,鋪設(shè)GCL土體內(nèi)水分場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定,毛細(xì)水上升未超過GCL層(30 cm),而未鋪設(shè)GCL土體毛細(xì)水上升最高達(dá)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(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用土樣為100目的砂土。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括:直徑30 cm,上部開口、下部密封的不透水有機(jī)玻璃筒;FDR土壤水分溫度傳感器;MP406數(shù)據(jù)采集器;精度0.1 cm的刻度尺。

1.2.3 試驗(yàn)步驟

1)預(yù)先配制含水率為1%的砂土。根據(jù)干土質(zhì)量和含水率計(jì)算得出所需水的質(zhì)量,然后向容器中灑入所需質(zhì)量的水,邊灑水邊攪拌。

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

3)共制備2個(gè)土柱模型,其中1個(gè)在距離土柱底部13 cm處鋪設(shè)一層GCL,如圖4。

圖4 降雨模擬試驗(yàn)土柱模型(單位:cm)

4)用花灑向模型內(nèi)土樣均勻?yàn)⑺? h,以模擬降雨情況。根據(jù)北方地區(qū)特大暴雨降雨條件,取降雨強(qiáng)度p= 50 mm/h[17-18],試驗(yàn)圓柱筒橫截面積S= 706.86 cm2,因此小時(shí)灑水量V=S×p/10 = 3 534.30 cm3/h。

5)每隔1 min讀取一次 FDR數(shù)據(jù),并換算出土體含水率w,直至含水率變化小于等于1%,結(jié)束試驗(yàn)。

1.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為土體含水率w隨試驗(yàn)時(shí)間t變化曲線。

圖5 土體w-lgt曲線

由圖5可見:

1)在試驗(yàn)的最初40 min以內(nèi),鋪設(shè)及未鋪設(shè)GCL土柱模型下層土體的含水率基本保持穩(wěn)定,約為2%;分別在100、50 min后,鋪設(shè)、未鋪設(shè)GCL土柱模型下層土體含水率開始增大,鋪設(shè)GCL下層土體含水率緩慢上升而未鋪設(shè)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(dá)到8%、18%,最終分別穩(wěn)定在8%、14%?？梢婁佋O(shè)GCL下層土體滲水相對(duì)較晚,滲水后土體最大含水率較低,表明GCL阻隔了土體內(nèi)水分的下滲。

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

同時(shí),測(cè)得試驗(yàn)前、后GCL內(nèi)部膨潤(rùn)土的含水率分別為7.0%、50.2%,說明膨潤(rùn)土吸水膨脹,從而起到了良好的隔水作用。

2 GCL鋪設(shè)位置優(yōu)化

2.1 路基模型建立

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

基于陳大路實(shí)際工程建立有限元計(jì)算模型,考慮到路基結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,筆者選用路基的一半進(jìn)行建模。主要參數(shù):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(jì)算幾何模型如圖6,由3個(gè)土層構(gòu)成,土層厚度H、密度ρ、滲透系數(shù)k及含水率w等物理參數(shù)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(jù)體積含水量數(shù)據(jù)點(diǎn)函數(shù)和義滲透系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)函數(shù)擬合體積含水量與水壓參數(shù)及水傳導(dǎo)率與水壓參數(shù)。選擇平面四邊形和三角形劃分單元。

圖6 路基有限元計(jì)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(shù),m=1-1/n[20]。

3個(gè)土層的VG模型參數(shù)見表2,GCL滲透系數(shù)為1×10-11m/s[21-23]。

表2 土層的VG模型參數(shù)

2.1.2 邊界條件

選定降雨時(shí)間為10 d,模擬至降雨結(jié)束后50 d,模擬時(shí)間共計(jì)60 d。模型上邊界設(shè)置降雨條件,降雨強(qiáng)度取40 mm/d,雨水入滲模式為垂直入滲。水分場(chǎng)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(gè)土層的天然含水量作為各土層水分場(chǎng)初始值。全局單元尺寸為0.3 m,共1 364個(gè)節(jié)點(diǎn),1 297個(gè)單元。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

實(shí)際工程中路面結(jié)構(gòu)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(wěn)定性,在地下水位高、排水不良的路段須設(shè)置相應(yīng)的排水結(jié)構(gòu)或邊緣排水系統(tǒng)以降低雨水滲入,避免路基土水分場(chǎng)升高,從而解決路基破壞問題。

筆者所建的模型沒有設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層,降雨可向下直接入滲到路基內(nèi)部,屬于一種最不利工況,研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程中,安全系數(shù)會(huì)更高。

2.2.1 路基土孔隙水壓分布

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

圖7 未鋪設(shè)GCL或在路基不同深度處鋪設(shè)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(shè)時(shí),GCL鋪設(shè)位置不同,其調(diào)節(jié)土體內(nèi)部水分場(chǎng)的作用也不同〔圖7(a)～(d)〕:鋪設(shè)在路面以下1.0 m處,調(diào)節(jié)效果最好;鋪設(shè)在路面以下0.5 m處,調(diào)節(jié)效果較好;鋪設(shè)在路面以下2.0 m處,調(diào)節(jié)效果不如前兩者。

2)在雙層鋪設(shè)時(shí),將GCL鋪設(shè)于0.5 m + 1.0 m處與1.0 m + 2.0 m處〔圖7(e)、(f)〕,GCL的調(diào)控效果相差不大,考慮到經(jīng)濟(jì)性,前者的鋪設(shè)方式較好。

3)對(duì)比圖7(b)、(e),顯然GCL雙層鋪設(shè)工況控制水分場(chǎng)的效果更好,但若經(jīng)濟(jì)條件有限,GCL單層鋪設(shè)在路面以下1.0 m處工況也可較好地調(diào)控土體水分場(chǎng),保持路基強(qiáng)度。

2.2.2 體積含水量

工況1GCL單層鋪設(shè)在路面以下1.0 m處。選擇GCL單層鋪設(shè)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(jié)點(diǎn),測(cè)定土體體積含水量θw。體積含水量θw與模擬時(shí)間t的關(guān)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(gè)部位土體的體積含水量曲線變化趨勢(shì)基本一致:t= 0～10 d時(shí)段,曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì);t= 11～20 d時(shí)段,體積含水量達(dá)到最高值;t= 21～60 d,曲線呈下降趨勢(shì)。

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(shì)最先達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且穩(wěn)定后的含水量最低?？梢?GCL對(duì)于其下方0.3 m 范圍以內(nèi)土體含水量的調(diào)控作用更明顯。

3)GCL上方0.3、0.6、0.9 m 3個(gè)部位土體的體積含水量曲線總體變化趨勢(shì)一致,且均比GCL下方3個(gè)部位土體體積含水量恢復(fù)快,從理論上驗(yàn)證了室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果。

工況2未鋪設(shè)GCL。對(duì)于未鋪設(shè)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(jìn)行上下層路基土含水量分析,結(jié)果如圖9。

圖9 未鋪設(shè)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(shí)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(shí)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(wěn)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(yàn)證了室內(nèi)降雨-土柱模型試驗(yàn)結(jié)果,即GCL具有十分重要的防滲作用。

3 結(jié) 論

開展了顆粒型雙層無紡布GCL阻斷毛細(xì)水上升試驗(yàn)和降雨入滲土柱試驗(yàn),對(duì)GCL應(yīng)用于調(diào)控路基土水分場(chǎng)的可行性進(jìn)行了研究;采用數(shù)值模擬法對(duì)GCL調(diào)控路基水分場(chǎng)的作用進(jìn)行了研究,分析了GCL鋪設(shè)層數(shù)與鋪設(shè)位置對(duì)水分場(chǎng)調(diào)節(jié)的影響規(guī)律。研究得到如下主要結(jié)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(fā)揮其優(yōu)異的隔水性能,表現(xiàn)為對(duì)毛細(xì)水上升的阻斷和對(duì)土體內(nèi)水分下滲的阻隔。

2)GCL雙層鋪設(shè)于路基中的效果略好于單層鋪設(shè),而單層鋪設(shè)施工難度及成本均較低,同時(shí)也滿足路基強(qiáng)度。

3)GCL單層鋪設(shè)的最佳位置為路面以下1.0 m處。GCL對(duì)路基土水分場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力在0.3 m范圍內(nèi)最佳,鑒于GCL的撕裂與刺破強(qiáng)度較低,不適合將其鋪設(shè)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(shù)取為常數(shù),實(shí)際工程中須考慮其受工作環(huán)境及施工等因素影響而造成的結(jié)構(gòu)損傷和滲透性變化。