李斌 黃啟舒

摘要：公路路基是路面的基礎(chǔ)，路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性直接影響著路面的穩(wěn)定，進(jìn)而影響道路的提效能力。一般情況下路基穩(wěn)定性的病害，諸如沉陷、沖刷、翻漿、坍塌等問題，均不同程度的與路基中的水分運(yùn)移存在著直接的聯(lián)系。因此，對(duì)于路基體內(nèi)水分運(yùn)移規(guī)律及其與影響因素的研究，為路基設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考、預(yù)防和整治路基病害具有重要的意義。

關(guān)鍵字：自然條件;公路路基;路基水分

1.算法基礎(chǔ)

1.1 控制方程

近似剛性多孔介質(zhì)中水分運(yùn)移的控制方程為：

1.2 初始及邊界條件

1.3 非飽和土水特性模型

非飽和土水分運(yùn)移控制模型參數(shù)，即式（1）中K（h）和D（θ），是非飽和土體中水分運(yùn)移的重要參數(shù)，且隨土體含水率的變化。本次計(jì)算采用的土水特征曲線的函數(shù)形式與的用于預(yù)測(cè)非飽和導(dǎo)水率的函數(shù)形式組合得到模型，見下式：

2.建立計(jì)算模型

以某填方路基斷面作為建模對(duì)象，模型體高為47m，底寬148m。對(duì)整個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行三角形離散化，選取默認(rèn)的光滑因子，將模擬區(qū)域離散成最優(yōu)的不規(guī)則三角形單元，共得到6553個(gè)，見下圖2所示。

2.1 介質(zhì)參數(shù)

本次計(jì)算假定路基基礎(chǔ)及路基填料材料分別為含砂粒黏質(zhì)土和亞粘土，粒徑分布及密度參數(shù)見下表1所示。模型中的材料區(qū)域按路基填方體和路基基底兩部分來定義，見圖3。

2.2 初始及邊界條件

本次計(jì)算假定初始條件為：（1）路基填方體的初始條件為：最佳含水率17.3%（即相應(yīng)體積含水率θ為28.5%）;（2）路基基底部分的初始條件為：體積含水率從28.5%過渡35.47%呈線性分布（由于考慮地下水的影響，由上至下過渡假定）。

本次計(jì)算的假定邊界條件為：外部自然環(huán)境（包括日降雨量和日盤蒸發(fā)潛量），計(jì)算前統(tǒng)計(jì)某地一年內(nèi)的降雨量和日盤蒸發(fā)潛量，近似每隔15天分別進(jìn)行平均處理，結(jié)果見圖4、圖5所示。考慮到路面面層的滲透系數(shù)極小，將路基頂面部分假定為不透水邊界，路堤邊坡大氣接觸的地表部分為氣候流量邊界，地下部分采用自由滲透邊界。

3.計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 土體內(nèi)水分運(yùn)移規(guī)律的變化過程

本次計(jì)算模擬了該模型在一個(gè)周期的自然氣象條件下，路基及路基基底體內(nèi)水分含量分布及其運(yùn)移規(guī)律。分析結(jié)果得出了不同時(shí)期模型土體內(nèi)水分含量的等值線圖，例如：圖6表示為第270天時(shí)水分含量等值線。

由整個(gè)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1） 在周期邊界條件下，土體內(nèi)水分在路基與基礎(chǔ)基底處，存在一個(gè)不連續(xù)的分割界面，基礎(chǔ)的水分含量小于路基體。原因?yàn)椋?、基礎(chǔ)層材料顆粒結(jié)構(gòu)中粘粒占到87%左右，基底層土粒間空隙的較路基層小，使水分更難進(jìn)入;2、基礎(chǔ)層初始含水率大于路基層，其相鄰?fù)亮１砻娴慕Y(jié)合水膜相互交疊，阻礙了水分的向下運(yùn)移。

（2） 在降水的邊界條件下，路堤兩側(cè)逐漸出現(xiàn)圓弧狀的滲透區(qū)域，路基邊坡兩側(cè)護(hù)坡道周圍表層土體含水率增大至飽和。

（3） 計(jì)算模型內(nèi)水分在重力的作用下向下運(yùn)移的同時(shí)又向上運(yùn)移至地表排出。

（4） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照水分運(yùn)移規(guī)律特征將模型分為3個(gè)區(qū)域，如上圖7所示。在整個(gè)周期運(yùn)移過程中，路基與基礎(chǔ)的部分區(qū)域（3號(hào)區(qū)域）受自然氣候邊界條件影響較小。下圖8為3號(hào)區(qū)域在整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)路基中心不同深度含水率的變化曲線，可見路基部分基本水分運(yùn)移發(fā)生，而基礎(chǔ)部分水分含量變化在2%以內(nèi)，推測(cè)為水分在重力作用下的小幅向下運(yùn)移。

基礎(chǔ)部分（1號(hào)區(qū)域）水分由于受到降雨和蒸發(fā)的影響而發(fā)生往復(fù)運(yùn)移，但由于該層填料中假定粘粒含量占87%以上，使得整個(gè)運(yùn)移過程較為緩慢;路基部分（2號(hào)區(qū)域）的水分運(yùn)移變化受邊界條件影響較大，下圖9顯示了護(hù)坡道和坡腳地表以下3m處觀察點(diǎn)的水分含量變化過程曲線該特點(diǎn)非常明顯。

4.結(jié)束語

本文通過采用有限元計(jì)算對(duì)某填方路基在自然氣象條件下的水分運(yùn)移進(jìn)行計(jì)算，分析其運(yùn)移規(guī)律，結(jié)果表明：（1）采用有限元法，對(duì)非飽和土土體內(nèi)水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行計(jì)算是可行的。（2）由于路基與基礎(chǔ)材料及其初始含水率的不同，在整個(gè)運(yùn)移過程中會(huì)在基底處形成運(yùn)移變化的不連續(xù)層。（3）在以降雨為主的邊界條件下，路基邊坡兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)的圓弧狀滲透區(qū)域，且逐漸向下擴(kuò)展，含水量增大至出現(xiàn)飽和區(qū);當(dāng)以蒸發(fā)為主的邊界條件下，水分一方面在重力作用下繼續(xù)向下運(yùn)移，另一方面向上運(yùn)移至地表排出。（4）結(jié)合本次計(jì)算模型，將模型區(qū)域分為3個(gè)區(qū)。其中，1號(hào)區(qū)域水分運(yùn)移受邊界條件影響較小、2號(hào)區(qū)域受邊界條件影響較大，而3號(hào)區(qū)域基本不受影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]（加）D.G.弗雷德隆德（Delwyn G.Fredlund），（印尼）拉哈爾佐 （Harianto Rahardjo）著M;陳仲頤等譯.非飽和土力學(xué)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1997.

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