何芳

作者簡介：

何?芳（1987—），工程師，主要從事路基設(shè)計(jì)工作。

為研究廣西岳圩口岸聯(lián)線公路路基非飽和細(xì)粒土濕度場變化特征，文章引入水-汽-熱（HVT）三場耦合下水分遷移理論，采用ABAQUS仿真平臺(tái)建立起路基模型，探討了路基濕度場特征參數(shù)影響變化情況。研究表明：地下水位即使差異化，但毛細(xì)水上升過程具有相似性，均為逐步減緩態(tài)勢(shì)，而地下水位愈高，毛細(xì)水上升高度愈低，尤以水位在17.5 m后降幅減弱最明顯；在地下水位7.5～17.5 m與20～22.5 m兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，路基高度方向上含水率變化趨勢(shì)各有差異，地下水位限制了高度方向上土層水分遷移過程；從路基底至頂部，基質(zhì)吸力逐步增大，且地下水位愈高，基質(zhì)吸力在高度方向上變化愈敏感；路基水平方向上水分遷移較弱，不會(huì)改變高度方向上含水率變化，同一高度方向上土層含水率維持較穩(wěn)定。研究結(jié)果可對(duì)路基非飽和土體濕度場演化及參數(shù)分析提供參考。

水-汽-熱（HVT）耦合；路基；土體；濕度

U416.1A240864

0?引言

在公路工程中，路基土體內(nèi)部的滲流場活動(dòng)影響著土層水分遷移和分布，會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生嚴(yán)重的土體滲透破壞影響［1-2］。探討路基土體水分遷移特征實(shí)質(zhì)上是研究路基土濕度場演化過程。桑進(jìn)等［3］、蔡國慶等［4］為研究土體滲透特性，進(jìn)行了土水特征試驗(yàn)，從土水曲線評(píng)價(jià)非飽和土的含水率、滲透系數(shù)等參數(shù)變化，綜合評(píng)價(jià)土體防滲、抗?jié)B能力。朱樂萌等［5］、劉旭等［6］為研究路基土體水分遷移特征，進(jìn)行了土層毛細(xì)水管上升變化試驗(yàn)，從土體內(nèi)部含水率的變化，反映水分遷移方向及趨勢(shì)，為探討土體的濕度場特征提供依據(jù)。雖室內(nèi)試驗(yàn)可以獲得一定的試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象，但耗時(shí)及離散性較大，周恒等［7］、常耀文［8］借助離散元計(jì)算方法，通過建立土體離散元模型，施加不同環(huán)境的滲透荷載，從模擬計(jì)算結(jié)果中提取土體水力參數(shù)的影響變化，為土層中濕度場的變化和水分遷移的研究提供參照。本文為探討公路路基非飽和細(xì)粒土的濕度場變化特征，借助仿真計(jì)算平臺(tái)分別開展了不同地下水位的濕度場特征參數(shù)計(jì)算，進(jìn)而分析土體內(nèi)部水分與濕度影響的變化。

1?研究方法

1.1?工程概況

作為廣西環(huán)北部灣高速公路交通樞紐中重要的支線工程，岳圩口岸聯(lián)線公路規(guī)劃建設(shè)為10 km，聯(lián)通著百色、崇左等地區(qū)，對(duì)廣西東南亞走廊經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要作用，其規(guī)劃線路如圖1所示。該聯(lián)線公路采用雙向四車道設(shè)計(jì)，沿線橋隧比接近17.5%，穿越多個(gè)下伏鐵路隧洞地帶，且部分路段周邊地質(zhì)條件不佳，特別是需要穿越膨脹土邊坡地帶，活躍的邊坡工程對(duì)公路建設(shè)帶來較大考驗(yàn)。不僅如此，聯(lián)線公路面臨的第二個(gè)難題是活躍地質(zhì)構(gòu)造對(duì)公路運(yùn)營的威脅，由于巖溶地質(zhì)活動(dòng)的影響，部分公路路基承載能力幾乎無法滿足承載及變形要求。兩側(cè)地形坡度分布為30°～45°，部分路段采用了注漿固結(jié)方式，減少路基下方溶洞等不良地層活動(dòng)，注漿壓力設(shè)定在0.25～0.75 MPa。除此之外，聯(lián)線公路目前設(shè)計(jì)采用了邊坡加固、注漿固結(jié)兩種措施，分別加固邊坡活躍滑動(dòng)帶以及溶洞等地質(zhì)構(gòu)造帶；但同樣不可忽視，沿線公路路基主要為非飽和細(xì)粒土，粒徑分布在0.075～1.6 mm，地下水位分布不均勻，所處地下水位最深處為22.5 m，該承載路基在室內(nèi)土工力學(xué)實(shí)測表明，圍壓50 kPa下破壞應(yīng)力為320.5 kPa，但其吸水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)高達(dá)3.2×10-4 cm/s，極易發(fā)生滲透破壞，甚至試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滲透破壞的危害超過其承載失穩(wěn)。為此，聯(lián)線公路除了采用分層夯實(shí)、改性加固等措施外，還需考慮路基土體內(nèi)部滲流場的活動(dòng)，特別是其受地下水位影響下，濕度場分布是否會(huì)造成土體發(fā)生滲透破壞。因此，工程設(shè)計(jì)部門在前期地勘資料基礎(chǔ)上，計(jì)劃開展沿線路基非飽和細(xì)粒土的濕度場演化模擬試驗(yàn)。

1.2?試驗(yàn)理論及設(shè)計(jì)方案

為了準(zhǔn)確研究路基土濕度場的分布演化特征，需要明確路基土體與外界交換能量的過程，是否會(huì)產(chǎn)生水分平衡場的變化，并引入土體濕度場的能量守恒方程，如下式：

當(dāng)采用數(shù)學(xué)傅里葉變換方式處理熱能運(yùn)動(dòng)方程，則可獲得數(shù)學(xué)微分意義下的液、氣、固三相體下的熱能之和，如下式：

在設(shè)定外部荷載邊界熱能條件后，可對(duì)上述（1）、（2）式進(jìn)行一維熱量傳遞變化，得到三相體熱量控制方程如下：

路基土體中水分的遷移包括了液態(tài)水與氣態(tài)水兩部分，本文研究重點(diǎn)位于液態(tài)水的濕度場演化，其運(yùn)動(dòng)特征滿足達(dá)西定律，聯(lián)系水分質(zhì)量守恒與達(dá)西運(yùn)動(dòng)方程，可得到土體中含水率的時(shí)間導(dǎo)數(shù)方程，如下式：

綜合水-汽-熱（HVT）三場耦合作用［9-10］，依據(jù)相變平衡準(zhǔn)則，聯(lián)立上述三式可獲得土體溫度場、濕度場耦合下的微分方程，這也是本文模擬試驗(yàn)分析的根本。從聯(lián)線公路多個(gè)樁號(hào)現(xiàn)場，鉆取路基土體并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重塑加工，圖2為其擊實(shí)特征曲線，細(xì)粒土的最優(yōu)含水率為12.8%，最大干密度為1.89 g/cm3；土工測試表明，該路基非飽和土中值粒徑為62 μm，接近18%顆粒粒徑不超過5 μm。

基于上述理論準(zhǔn)則分析，以聯(lián)線公路2+125處路基非飽和土為分析對(duì)象，采用ABAQUS仿真平臺(tái)建立起路基模型，如圖3（a）所示，該路基寬度為24.5 m，總高度6 m，兩側(cè)坡度為2/3，土體物理力學(xué)參數(shù)按照前述室內(nèi)實(shí)測設(shè)定，含水率等參數(shù)以圖2擊實(shí)曲線特征值設(shè)定。經(jīng)網(wǎng)格劃分后，共獲得網(wǎng)格單元26 582個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)16 234個(gè)，網(wǎng)格精度滿足計(jì)算要求。在開始不同物理場環(huán)境下濕度特征計(jì)算前，對(duì)路基土體的毛細(xì)水上升路徑進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖3（b）所示，在計(jì)算步長時(shí)間內(nèi)，毛細(xì)水上升高度維持在10～50 cm，滿足上式水-汽-熱偶合場變化規(guī)律，因此，本文計(jì)算模型可用來驗(yàn)證地下物理場環(huán)境中的路基土體濕度特征計(jì)算。

計(jì)算工況中，以瞬態(tài)法描述土體滲透過程，同時(shí)土體邊界荷載條件取其最大承載能力。根據(jù)聯(lián)線公路路基現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)不同的地下水位條件，模擬地下物理場的變換環(huán)境，探討路基土在水-汽-熱耦合場下濕度特征的影響變化。地下水位分別設(shè)定為7.5～22.5 m，方案間水位梯次差幅為2.5 m，相同深度方向上滲透能力視為一致，探討不同地下水位物理場路基土體的毛細(xì)水、含水率及基質(zhì)吸力等變化。

2?路基濕度場分布演化特征

2.1?毛細(xì)水上升高度

基于不同地下水位路基土體濕度場特征計(jì)算，可獲得土體毛細(xì)水上升高度變化特征，如圖4所示。由圖中毛細(xì)水上升高度變化可知，不同地下水工況中，毛細(xì)水上升高度曲線的變化特征具有相似性，呈“快、慢遞增”特征，增長轉(zhuǎn)折點(diǎn)均位于第110 min。毛細(xì)水上升高度的速率實(shí)質(zhì)上是逐步遞減，此種現(xiàn)象主要受非飽和土的基質(zhì)勢(shì)能影響。在一定時(shí)間內(nèi)，非飽和土?xí)呄蛴凇拔鼊?shì)”，在基質(zhì)勢(shì)能增大的同時(shí)，實(shí)質(zhì)上土體自身重力勢(shì)能也處于較高水平，當(dāng)達(dá)到土體自身顆粒骨架所能承受的最大勢(shì)能，則毛細(xì)水上升高度勢(shì)必減緩。分析認(rèn)為，毛細(xì)水上升過程的變化具有穩(wěn)定性，不會(huì)受外在地下水位物理場變化影響，毛細(xì)水上升趨勢(shì)只會(huì)受到路基土體自身物理特性影響［11］。另一方面，對(duì)比毛細(xì)水上升高度時(shí)序效應(yīng)，當(dāng)?shù)叵滤挥?，則毛細(xì)水上升高度整體水平愈低，且降幅集中在地下水位7.5～17.5 m，在水位17.5 m后，毛細(xì)水上升高度整體差幅有所減小。以毛細(xì)水高度全時(shí)序上的平均高度為宏觀數(shù)據(jù)對(duì)比，在地下水位7.5 m時(shí)，該值為2.97 m，而水位10 m、15 m較之前者分別減少了13.5%、48.1%；相比之下，水位20 m、22.5 m時(shí)平均高度分別為1.02 m、0.94 m，較之地下水位17.5 m下分別僅減少了7.4%、15.6%。綜合數(shù)據(jù)對(duì)比與變化趨勢(shì)可知，地下水位對(duì)毛細(xì)水上升高度影響主要在于量值水平，但該影響效應(yīng)僅局限于地下水位較低時(shí)，若地下水位超過一定值，毛細(xì)水上升高度受之影響較弱。

2.2?含水率變化

選取圖3（a）中路基模型高度方向上的土層含水率參數(shù)為分析對(duì)象。含水率表征了土層內(nèi)部的水分容納空間，如圖5所示為不同地下水位下路基土層高度方向上含水率變化特征曲線。

由圖5可知，不同地下水位方案下，含水率曲線具有顯著差異，且高度方向上含水率可分為兩類：一類是從路基底至頂，含水率呈不同程度的遞減，其中在高度8 m處具有含水率降幅的轉(zhuǎn)折變化，此類方案地下水位為7.5～17.5 m；另一類則是從路基至路頂，含水率穩(wěn)定遞減，在路基高度方向上含水率降低較穩(wěn)定，此類型地下水位為20 m、22.5 m，含水率降幅分別為2.3%、1.8%。由含水率曲線趨勢(shì)可知，地下水位不同，會(huì)改變路基高度方向上土層水分遷移傾向，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，不論是路基底或頂，其水分遷移具有均衡性，而地下水位較低時(shí)，水分遷移傾向于靠近地下水的路基底。

從含水率宏觀數(shù)據(jù)對(duì)比來看，當(dāng)?shù)叵滤挥?，含水率愈低，同樣在地下水?7.5 m后，含水率整體水平較為接近，差幅減弱。以路基模型頂部處含水率為對(duì)比，在地下水位7.5 m、10 m時(shí)，分別為0.29、0.25，而地下水位為12.5 m、17.5 m時(shí)含水率較之7.5 m下分別減少了27.1%、51%。綜合來看，高度方向上含水率的差異性，表征了水分遷移方向，同時(shí)含水率水平反映了土層由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡偷难葑儦v程。

2.3?土體基質(zhì)吸力變化

基質(zhì)吸力可作為土體濕度場反映土體非飽和和飽和狀態(tài)的特征參數(shù)。圖6為路基模型高度方向上基質(zhì)吸力變化。分析圖6可知，基質(zhì)吸力與高度值呈正相關(guān)，且基質(zhì)吸力與高度值具有較穩(wěn)定增幅關(guān)系。在地下水位7.5 m工況中，路基底基質(zhì)吸力為7.4 kPa，全方向土層平均基質(zhì)吸力為15.75 kPa，隨高度方向每遞增2 m，從路基模型底至頂部，基質(zhì)吸力平均增大了12.4%；地下水位為12.5 m時(shí)，全土層平均基質(zhì)吸力為36 kPa，高度方向上基質(zhì)吸力的平均增幅為17.8%。對(duì)比之下，地下水位愈高，高度方向上基質(zhì)吸力變化愈敏感，即地下水位的存在，會(huì)直接改變非飽和土、飽和土的分布區(qū)域，促使非飽和土基質(zhì)吸力逐步提高到與飽和土一致水平［12］。

從基質(zhì)吸力縱向?qū)Ρ葋砜?，地下水位愈高，則基質(zhì)吸力愈大，可容納水分子遷移通道與空間更多；地下水位7.5～17.5 m工況中，土層方向上平均基質(zhì)吸力分布為15.75～55.7 kPa，在基質(zhì)吸力20～22.5 m中，平均基質(zhì)吸力較之地下水位12.5 m下分別提高了1.05倍、1.74倍。綜合基質(zhì)吸力變化特征，說明了地下水位變化，會(huì)改變土層內(nèi)部吸水空間，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力變化，且也會(huì)改變土層高度方向上基質(zhì)吸力變化均衡性。

2.4?路基平衡濕度特征

圖7為采用滲透穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法獲得的路基模型體積含水率空間分布特征云圖。由圖7可知，該公路路基非飽和細(xì)粒土具有較強(qiáng)的毛細(xì)吸水作用。即使地下水位為20 m時(shí)，路基頂體積含水率仍會(huì)有一定變化，即路基頂區(qū)域土層濕度得到提高。不同的地下水位會(huì)直接影響路基模型中各土層點(diǎn)的含水率值，而水平方向上并無水分遷移，濕度場差異性分布主要體現(xiàn)在高度方向，同一水平向上含水率保持恒定，這主要受土層基質(zhì)勢(shì)能與重力勢(shì)能的平衡作用［13］。綜合考慮認(rèn)為，路基土層含水率抬升會(huì)受地下水位影響。若控制濕度場水分遷移系數(shù)，加大土層飽和度平衡，可以降低濕度場對(duì)路基的滲透破壞疊加影響。

3?結(jié)語

（1）毛細(xì)水上升高度的增長轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于第110 min，地下水位愈高，則毛細(xì)水上升高度整體水平愈低，且在水位達(dá)17.5 m后降幅較弱；地下水位不會(huì)改變毛細(xì)水上升高度變化趨勢(shì)，只會(huì)改變上升高度的量值水平。

（2）地下水位不同，路基高度方向上的含水率變化具有兩種不同類型。路基高度方向上土層的水分遷移受地下水位的制約，保持相對(duì)均衡穩(wěn)定；地下水位愈高，含水率愈低。

（3）基質(zhì)吸力與高度值呈正相關(guān)，且地下水位愈高，則高度方向上基質(zhì)吸力變化愈敏感。地下水滲透路徑會(huì)直接影響路基高度方向上土層基質(zhì)吸力變化。

（4）路基土層水平方向上無水分遷移，濕度場主要在于高度方向上土層含水率變化，同一高度方向上土層含水率保持穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

［1］孫萬民.降雨條件下泡沫輕質(zhì)土滲流特性研究［J］.四川水泥，2022，313（9）：99-101.

［2］李清華，肖?田，邱博超，等.水位變化對(duì)路基邊坡滲流場及穩(wěn)定性影響分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（13）：5 403-5 410.

［3］桑?進(jìn)，劉文化，張洪勇，等.全吸力范圍內(nèi)固化土的土-水特征曲線試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，42（S1）：3 842-3 850.

［4］蔡國慶，韓博文，王亞南，等.雙孔結(jié)構(gòu)非飽和紅黏土土水特征曲線模型［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2022，44（S1）：1-5.

［5］朱樂萌，唐?紅，姚海林，等.非飽和土路基水氣遷移規(guī)律及其影響因素實(shí)驗(yàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（15）：6 632-6 639.

［6］劉?旭，白一茹，馬?嫻，等.生物炭對(duì)黃綿土水分吸滲特征及水力學(xué)參數(shù)的影響［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2023，37（3）：77-84.

［7］周?恒，狄圣杰，黃?鵬，等.溫-濕耦合環(huán)境下黃土遺址水分遷移規(guī)律試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2022，20（5）：83-89，95.

［8］常耀文.內(nèi)蒙古荒漠草原南緣不同坡位土壤濕度變化特征［D］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2021.

［9］杜建行，桑琴揚(yáng)，熊勇林.一種統(tǒng)一非飽和土水-力-氣三相耦合本構(gòu)理論模擬方法［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2023，36（2）：57-66.

［10］鄭洪瑞.非飽和土熱-水-力耦合過程的數(shù)值模擬研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2020.

［11］楊以誠.非飽和路基土電滲排水?dāng)?shù)值模擬及水分遷移研究［J］.交通科技，2023，316（1）：1-4，28.

［12］朱樂萌，唐?紅，姚海林，等.基質(zhì)勢(shì)作用下非飽和黏性路基土水分遷移規(guī)律研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，45（2）：75-80.

［13］馮卓鑫.細(xì)粒含量和荷載影響下凍結(jié)粗粒土水汽遷移特征研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2020.