基于HVT耦合場的不同地下水位路基土體濕度場特征研究

何芳

作者簡介：

何?芳（1987—），工程師，主要從事路基設計工作。

為研究廣西岳圩口岸聯(lián)線公路路基非飽和細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，但毛細水上升過程具有相似性，均為逐步減緩態(tài)勢，而地下水位愈高，毛細水上升高度愈低，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兩個區(qū)間內，路基高度方向上含水率變化趨勢各有差異，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，基質吸力逐步增大，且地下水位愈高，基質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。研究結果可對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，路基土體內部的滲流場活動影響著土層水分遷移和分布，會對土體產(chǎn)生嚴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質上是研究路基土濕度場演化過程。桑進等［3］、蔡國慶等［4］為研究土體滲透特性，進行了土水特征試驗，從土水曲線評價非飽和土的含水率、滲透系數(shù)等參數(shù)變化，綜合評價土體防滲、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，進行了土層毛細水管上升變化試驗，從土體內部含水率的變化，反映水分遷移方向及趨勢，為探討土體的濕度場特征提供依據(jù)。雖室內試驗可以獲得一定的試驗結果及現(xiàn)象，但耗時及離散性較大，周恒等［7］、常耀文［8］借助離散元計算方法，通過建立土體離散元模型，施加不同環(huán)境的滲透荷載，從模擬計算結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粒土的濕度場變化特征，借助仿真計算平臺分別開展了不同地下水位的濕度場特征參數(shù)計算，進而分析土體內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)劃建設為10 km，聯(lián)通著百色、崇左等地區(qū)，對廣西東南亞走廊經(jīng)濟發(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計，沿線橋隧比接近17.5%，穿越多個下伏鐵路隧洞地帶，且部分路段周邊地質條件不佳，特別是需要穿越膨脹土邊坡地帶，活躍的邊坡工程對公路建設帶來較大考驗。不僅如此，聯(lián)線公路面臨的第二個難題是活躍地質構造對公路運營的威脅，由于巖溶地質活動的影響，部分公路路基承載能力幾乎無法滿足承載及變形要求。兩側地形坡度分布為30°～45°，部分路段采用了注漿固結方式，減少路基下方溶洞等不良地層活動，注漿壓力設定在0.25～0.75 MPa。除此之外，聯(lián)線公路目前設計采用了邊坡加固、注漿固結兩種措施，分別加固邊坡活躍滑動帶以及溶洞等地質構造帶；但同樣不可忽視，沿線公路路基主要為非飽和細粒土，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，該承載路基在室內土工力學實測表明，圍壓50 kPa下破壞應力為320.5 kPa，但其吸水性較強，滲透系數(shù)高達3.2×10-4 cm/s，極易發(fā)生滲透破壞，甚至試驗中發(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、改性加固等措施外，還需考慮路基土體內部滲流場的活動，特別是其受地下水位影響下，濕度場分布是否會造成土體發(fā)生滲透破壞。因此，工程設計部門在前期地勘資料基礎上，計劃開展沿線路基非飽和細粒土的濕度場演化模擬試驗。

1.2?試驗理論及設計方案

為了準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：

當采用數(shù)學傅里葉變換方式處理熱能運動方程，則可獲得數(shù)學微分意義下的液、氣、固三相體下的熱能之和，如下式：

在設定外部荷載邊界熱能條件后，可對上述（1）、（2）式進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，本文研究重點位于液態(tài)水的濕度場演化，其運動特征滿足達西定律，聯(lián)系水分質量守恒與達西運動方程，可得到土體中含水率的時間導數(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分析的根本。從聯(lián)線公路多個樁號現(xiàn)場，鉆取路基土體并在室內實驗室進行重塑加工，圖2為其擊實特征曲線，細粒土的最優(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。

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

計算工況中，以瞬態(tài)法描述土體滲透過程，同時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，設計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水、含水率及基質吸力等變化。

2?路基濕度場分布演化特征

2.1?毛細水上升高度

基于不同地下水位路基土體濕度場特征計算，可獲得土體毛細水上升高度變化特征，如圖4所示。由圖中毛細水上升高度變化可知，不同地下水工況中，毛細水上升高度曲線的變化特征具有相似性，呈“快、慢遞增”特征，增長轉折點均位于第110 min。毛細水上升高度的速率實質上是逐步遞減，此種現(xiàn)象主要受非飽和土的基質勢能影響。在一定時間內，非飽和土會趨向于“吸勢”，在基質勢能增大的同時，實質上土體自身重力勢能也處于較高水平，當達到土體自身顆粒骨架所能承受的最大勢能，則毛細水上升高度勢必減緩。分析認為，毛細水上升過程的變化具有穩(wěn)定性，不會受外在地下水位物理場變化影響，毛細水上升趨勢只會受到路基土體自身物理特性影響［11］。另一方面，對比毛細水上升高度時序效應，當?shù)叵滤挥撸瑒t毛細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，毛細水上升高度整體差幅有所減小。以毛細水高度全時序上的平均高度為宏觀數(shù)據(jù)對比，在地下水位7.5 m時，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)對比與變化趨勢可知，地下水位對毛細水上升高度影響主要在于量值水平，但該影響效應僅局限于地下水位較低時，若地下水位超過一定值，毛細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)為分析對象。含水率表征了土層內部的水分容納空間，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%。由含水率曲線趨勢可知，地下水位不同，會改變路基高度方向上土層水分遷移傾向，當?shù)叵滤惠^高時，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，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)對比來看，當?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比，在地下水位7.5 m、10 m時，分別為0.29、0.25，而地下水位為12.5 m、17.5 m時含水率較之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，同時含水率水平反映了土層由非飽和轉變?yōu)轱柡偷难葑儦v程。

2.3?土體基質吸力變化

基質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吸力變化。分析圖6可知，基質吸力與高度值呈正相關，且基質吸力與高度值具有較穩(wěn)定增幅關系。在地下水位7.5 m工況中，路基底基質吸力為7.4 kPa，全方向土層平均基質吸力為15.75 kPa，隨高度方向每遞增2 m，從路基模型底至頂部，基質吸力平均增大了12.4%；地下水位為12.5 m時，全土層平均基質吸力為36 kPa，高度方向上基質吸力的平均增幅為17.8%。對比之下，地下水位愈高，高度方向上基質吸力變化愈敏感，即地下水位的存在，會直接改變非飽和土、飽和土的分布區(qū)域，促使非飽和土基質吸力逐步提高到與飽和土一致水平［12］。

從基質吸力縱向對比來看，地下水位愈高，則基質吸力愈大，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吸力分布為15.75～55.7 kPa，在基質吸力20～22.5 m中，平均基質吸力較之地下水位12.5 m下分別提高了1.05倍、1.74倍。綜合基質吸力變化特征，說明了地下水位變化，會改變土層內部吸水空間，導致土體基質吸力變化，且也會改變土層高度方向上基質吸力變化均衡性。

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粒土具有較強的毛細吸水作用。即使地下水位為20 m時，路基頂體積含水率仍會有一定變化，即路基頂區(qū)域土層濕度得到提高。不同的地下水位會直接影響路基模型中各土層點的含水率值，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，這主要受土層基質勢能與重力勢能的平衡作用［13］。綜合考慮認為，路基土層含水率抬升會受地下水位影響。若控制濕度場水分遷移系數(shù)，加大土層飽和度平衡，可以降低濕度場對路基的滲透破壞疊加影響。

3?結語

（1）毛細水上升高度的增長轉折點位于第110 min，地下水位愈高，則毛細水上升高度整體水平愈低，且在水位達17.5 m后降幅較弱；地下水位不會改變毛細水上升高度變化趨勢，只會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，保持相對均衡穩(wěn)定；地下水位愈高，含水率愈低。

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

（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。

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