邱傢煊 亓路寬

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

隨著我國橋梁設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)的日漸成熟，橋梁的耐久性越來越受到人們的重視，其中橋梁水害是嚴(yán)重影響橋梁耐久性以及安全的一個(gè)重要病害。當(dāng)混凝土含水量增高時(shí)會(huì)加快有害離子在混凝土中的擴(kuò)散導(dǎo)致混凝土容易產(chǎn)生碳化、堿骨料反應(yīng)等有害現(xiàn)象，而且加重凍融循環(huán)對(duì)混凝土的破壞。橋梁排水系統(tǒng)在解決橋梁的水害問題中起到關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)橋面排水系統(tǒng)[1]主要由橋面橫縱坡、過水?dāng)嗝?、泄水孔裝置和管道系統(tǒng)四部分組成。目前橋面排水系統(tǒng)一般采用的排水方式為通過縱橫坡將橋面水流匯流至泄水孔，最終通過排水管排入到地面排水設(shè)施或者河流中。但萬劍平、金玉泉等[2,3]發(fā)現(xiàn)由于施工質(zhì)量等原因泄水管與混凝土結(jié)合面不密實(shí)、排水管接頭漏水、管道破壞破損、泄水管體脫落、泄水管內(nèi)被堵塞等現(xiàn)象，水就會(huì)經(jīng)由空隙滲入對(duì)橋梁耐久性帶來不良影響。

為了解決該種橋梁病害本文提出了一種新型的泄水管用于降低當(dāng)施工原因?qū)е碌男顾苋毕菀约靶顾苁ヅ潘饔脮r(shí)出現(xiàn)的滲水漏水現(xiàn)象對(duì)橋體帶來的不良影響。

1 新型泄水管介紹

本文提出的泄水管在現(xiàn)有常用豎向泄水管基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在保有豎向泄水管的排水作用情況下在排水管外嵌套一個(gè)套管。套管分成兩部分，其中上半部分為一個(gè)倒圓錐桶狀結(jié)構(gòu)，下半部分則是圓柱桶狀結(jié)構(gòu)。上半部分套管作用為當(dāng)出現(xiàn)因施工誤差或泄水管失去排水作用導(dǎo)致流體下滲時(shí)降低下滲的流體對(duì)周圍混凝土耐久性產(chǎn)生的不良影響，其具體形式如圖1所示。

2 混凝土滲流理論

將多孔介質(zhì)理論應(yīng)用到混凝土上就可以對(duì)微觀上的混凝土滲流過程以宏觀的滲流力學(xué)理論來予以描述。多孔隙介質(zhì)在飽和或非飽和滲流過程遵從Forchheimer定律或者Darcy定律[4]，F(xiàn)orchheimer定律適用于滲流速度較大，屬于非線性關(guān)系；Darcy定律適用于滲流速度較慢，屬于線性關(guān)系。Forchheimer定律表達(dá)式可表示為：

(1)

其中,s為材料飽和度;n為材料孔隙率;vw為滲流速率;β為材料與速度相關(guān)的函數(shù);ks為飽和度與滲透系數(shù)有關(guān)的函數(shù);k為飽和時(shí)滲透系數(shù)矩陣；φ為測(cè)壓水頭。當(dāng)Forchheimer定律中材料關(guān)于速度的函數(shù)β=0時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)化為Darcy定律。

研究表明[5]，達(dá)西定律可以推廣到非飽和混凝土的水分傳輸中。Darcy定律雖為線性定律，但因?yàn)榛炷梁实淖兓?，水在混凝土中的傳輸速率也有一定的變化。張慶章等[6]以Xi等人研究為基礎(chǔ)建立吸濕、排濕過程中毛細(xì)壓力與飽和度之間的關(guān)系方程。其中排濕過程中的毛細(xì)壓力與飽和度方程為：

(2)

(3)

其中,ρ1為水的密度；R為氣體常數(shù)；M為水的摩爾質(zhì)量；Ce為能量參數(shù)；kt為常數(shù)；Vm為單位水泥砂漿質(zhì)量吸附水分子單程質(zhì)量；W20為含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)；S為飽和度；Pc為毛細(xì)壓力。將式(2)代入式(3)即可得出飽和度與毛細(xì)壓力之間的方程。Nguyen[7]發(fā)現(xiàn)在層流過程中，非飽和材料的滲透系數(shù)與飽和度的三次方線性相關(guān)，混凝土滲透系數(shù)與飽和度的關(guān)系式為：

ks=S3

(4)

3 數(shù)值分析

以現(xiàn)有的非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，然后對(duì)分析的問題加上一定的假設(shè)以及限制能夠得出模型的數(shù)值解。Neuman[8]模型就是一種經(jīng)典飽和—非飽和滲流的數(shù)值解模型，模型中飽和區(qū)中孔隙水壓力為正壓，非飽和區(qū)中毛細(xì)壓力為負(fù)壓，體現(xiàn)出非飽和區(qū)和飽和區(qū)間滲流運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性。ABAQUS的非飽和滲流模塊能夠基于多孔介質(zhì)非飽和理論較好地模擬。

3.1 數(shù)值模型

取泄水管周邊1 m范圍混凝土建立模型，上層為100 mm厚瀝青混凝土鋪裝層，下層為220 mm厚梁體混凝土，兩者間設(shè)有防水層，泄水管布置于模型的中心，套管嵌套在外，防水層采用不透水材料，在防水層與泄水管接合處設(shè)置3 mm縫隙模擬水入滲至梁體，見圖2。

3.2 材料參數(shù)

材料飽和滲透系數(shù)的大小、孔隙率以及飽和度—滲透系數(shù)關(guān)系式等決定了在相同的邊界條件下水在介質(zhì)中的滲透速率。材料參數(shù)通過查閱文獻(xiàn)、參考實(shí)驗(yàn)[9,10]數(shù)據(jù)得出，在模型中橋梁鋪裝層采用AC-13瀝青混凝土，梁體混凝土采用C40混凝土，泄水管套管采用PVC材料，具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

為研究混凝土的非飽和滲流場(chǎng)，除定義基本的滲透系數(shù)、空隙率等參數(shù)，還需給定其孔隙壓力—飽和度曲線，可通過式(2)及式(3)計(jì)算得出。

3.3 邊界條件及初始條件

ABAQUS非飽和滲流模塊中可以設(shè)定已知流量、已知水頭邊界、自由滲出段邊界以及不透水邊界。模型所設(shè)定邊界條件見圖3。

為了控制模型中的水滲入量，假定已知水頭邊界S1作為流體邊界并將邊界上孔隙壓力設(shè)置為1 kPa,將兩端S2設(shè)置為不透水邊界，將下部懸空面S3設(shè)置為自由滲出段邊界。初始條件定義模型中的初始孔隙壓力以及飽和度，由于混凝土與空氣中的水分存在交換，所以飽和度并不為0，參考混凝土的空氣濕度—飽和度曲線將混凝土以及瀝青混凝土飽和度定義為0.2，混凝土的初始毛細(xì)壓力通過飽和度—毛細(xì)壓力方程計(jì)算得出為19 MPa。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果

將上述邊界條件以及材料參數(shù)輸入模型后經(jīng)過120 h分析后得出在分析時(shí)間內(nèi)模型的飽和度結(jié)果。飽和度能夠直觀的反映水在模型內(nèi)分布以及運(yùn)動(dòng)情況。

圖4可以看出水在混凝土中的非飽和滲流并非線性過程，隨著其飽和度的增大，其滲流速度也開始變快，飽和度隨著距離的增加而減少。從圖5可以看出新型泄水管中水集中分布于套管上部混凝土內(nèi)而套管下方混凝土飽和度較小，并且套管上方混凝土飽和度分布較為均勻。

為得出不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及飽和度分布的具體數(shù)值在模型中在豎向從1 cm開始每4 cm各選取4個(gè)點(diǎn)作為分析點(diǎn)得出結(jié)果。

表2 新型、普通泄水管豎向點(diǎn)集120 h時(shí)飽和度

由表2以及圖6可以看出，分析120 h內(nèi)1 cm以及5 cm點(diǎn)處的飽和度數(shù)值均比普通泄水管的飽和度數(shù)值大，而9 cm及13 cm處的飽和度均比普通泄水管的小。這是因?yàn)樗x取豎向點(diǎn)中1 cm以及 5 cm位于套管上方而9 cm以及13 cm點(diǎn)位于套管下方，由此可得套管對(duì)豎向入滲起到了阻擋作用，所以套管上方混凝土飽和度相較于普通混凝土較高，套管下方混凝土飽和度數(shù)值相較于普通泄水管較低。

4 結(jié)語

通過對(duì)提出的新型泄水管的數(shù)值模擬分析，主要結(jié)論如下：

1)水中泄水管周圍的非飽和滲流過程并不是線性過程，滲流速度隨著飽和度的增長而變快；

2)新型泄水管相對(duì)于普通泄水管在相同滲流量的情況下，新型泄水管通過其套管對(duì)水的阻擋作用能夠有效防止水的豎向下滲，但由于水積聚在套管上部混凝土其飽和度會(huì)比普通泄水管情況下高。