1、基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析 -1-收稿日期：2009-12-22作者简介：苏伟翔(1982-)，男，广东广州人，助理工程师，广州市公路勘察设计有限公司，广东 广州 510500基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析摘 要：针对带裂（接）缝的沥青路面和水泥混凝土路面结构进行渗流模拟，对于密级配基层，入渗到基层中的水分横向排出的速度缓慢。面层下设置排水基层并结合边缘排水系统能迅速排除层间及结构层内自由水，并有效地减少下渗到底基层的雨水裂缝入水导致结构层含水量大幅提高。关键词：路面排水；裂缝；渗流 中图分类号： 文献标识码： Drainage Analysis for Cracks in Pav
2、ement Layers Based on Unsaturated Flow Theory SU Wei Xiang(Guangzhou Highway Survey and Design Co., Ltd, Guangzhou, Guangdong 510500)Abstract: Drainage analysis for cracks in pavement layers based on unsaturated flow theory, Mass water have Infiltrated into dense-graded bases when existing cracks an
3、d joints and transverse direction flow rate is slow. Permeable bases have significantly reduced moisture in the sections.Key words: drainage; cracks; seepage水是危害公路的主要自然因素。大多路基沉陷、冲刷、坍塌、翻浆，沥青路面松散、剥落、龟裂，水泥混凝土路面唧泥、错台、断裂等病害，都不同程度地与地表水和地下水的侵蚀有关。水的作用加剧了路基和路面结构的损坏，加快了路面使用性能的恶化，缩短了路面的使用寿命 1。有资料显示，良好的公路排水系统能将
4、道路的使用寿命延长 2 到 3 倍。AASHTO 和美国工程兵部队的路面设计指南都指出，完善的公路排水系统对确保路基路面良好的使用性能、延长道路使用寿命和节省道路养护费用等方面起着关键的作用 2,3。Birgisson2基于非饱和土理论，采用 SEEP/W软件对明尼苏达州三条公路进行渗水模拟。通过SEEP/W 计算出公路初始地下水位，修正由明尼苏达州公路局提供的土水特征曲线进气值、斜率和渗透系数等参数，发现含水量的模拟值与实测值有很好的相关性。结论指出，SEEP/W 能有效地模拟多层路面结构的非饱和排水。本文基于前人非饱和土参数值的研究上，运用有限元软件针对带裂（接）缝的沥青路面和水泥混凝土路
5、面结构进行渗流模拟，分析新建路面与带裂缝路面结构雨水入渗量，路面内部排水系统对以上结构的排水性能改善程度。1 路面结构层渗流模型非饱和土与饱和土的根本区别在于，前者为三相体，部分空隙由气体填充。Fredlund 4等采用两个独立应力状态变量进行非饱和土的理论应力分析。这两个独立应力状态变量是净法向应力和基质吸力 。其中 为土体)(w)(wa单元法向应力， a 为孔隙气压力， w 为孔隙水压力。饱和土是非饱和土的一种特殊情形，即0，因此只有一个应力状态变量)(wa。通常在工程应用中假定孔隙气压力与大气压强相等，于是 a0，因此非饱和区的压力势就是负孔隙水压力（- w） ，即基质吸力就用负孔隙水压
6、力来衡量。（1）y式中：y 为距离地下水位的距离，水位以上为负，基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析 -2-水位以下为正； w 为水的重度。由于非饱和带中水分运动速度比较缓慢，空气的运动可以不予考虑，复杂的两相流问题就可以简化为相对简单的单相流问题。对于非饱和渗流，土的渗透系数不是一个常数，而是一个与饱和度和含水量相关的变量，记做 k()，其中 为体积含水量。 Richard6(1931)将 Darcy 定律应用到非饱和流中，并推导得出非饱和渗流基本微分方程：（2)()()( zHkykxHkt ）式中，H 为总水头；k x、k y、 kz 分别为 x、y、z 方向的渗透系数。Richard 方
7、程可以分别由含水率、毛管压力水头等写成不同的表达方式。由于无法求得解析解，目前一般采用数值方法进行求解。对现行的路面排水设计方法的改进主要应从三个方面进行。在设计理论基础方面，应用与实际相符的非饱和土理论考虑非饱和渗流的影响；在材料设计参数方面，重点考虑排水介质（岩石与土）的渗透系数的各向异性、非饱和性等；在计算方法方面，应用现代计算机技术对复杂水文、地质条件下的工程问题进行数值模拟计算 6。2 沥青路面接（裂）缝入水Ridgeway7直接在已使用多年的旧路面上进行表面水渗入率的测定试验，建议采用接（裂）缝的渗入率作为指标，并提出每厘米缝的设计值为100cm3/h/cm。我国公路排水设计规范依
8、据国内部分旧路面的表面水渗入率测定结果，采用Ridgeway 的指标，建议面层存在裂缝的沥青路面的表面水渗入率设计值为 0.625 cm3/h/cm2。依据所选取的设计渗入率，可以按沥青路面接缝和裂缝的数量计算纵向每延米表面水设计渗入量：apiQIBk式中，I a 为每平方米有裂缝沥青路面的表面水设计渗入率(m 3/d/m2)；k p 为表面水对每平方米未开裂路面表面的渗透率。3 计算采用模型本章采用上述中央分隔带入水计算模型，见图 1。本文通过研究降雨条件下沥青路面接（裂）缝入水以及沥青混凝土孔隙入水，采用重丘区高速公路横断面 24.5m，半幅 23.75m 行车道+2.5m硬路肩+0.75
9、m 土路肩+3m 中间带，行车道与硬路肩横坡为 2，土路肩为 4%。路面结构为 18cm沥青混凝土面层+36cm 水泥稳定碎石( 比选：排水基层)+20cm 水泥稳定砂砾底基层。路面设定为降雨边界。雨型采用五年一遇两小时降雨历时降雨强度 8.4e-6m/s。沥青路面行车道中间一条裂缝，路面与路肩处一条接缝，裂缝与接缝贯穿面层至基层顶面，宽度 1cm，裂缝与接缝位置见图 1。0.7523.05.72.054.3.体体图 1 接（裂）缝位置示意图结构层材料的非饱和参数取值见表 1，由于路面结构具有对称性，分析模型取半幅剖面进行计算分析。面层为四边形网格，单元格为0.025m0.025m，共有 96
10、0 个。基层包括四边形与三角形网格，单元格为 0.025m0.025m，共有4008 个。土基包括四边形与三角形网格，单元格为 0.05m0.05m 共 10068 个。断面共划分单元格15036 个。表 1 模型参数取值材料 Ks /cms-1r/% s/% n水泥稳定碎石 1.22e-4 0.065 0.15 0.010 1.21水泥稳定砂砾 5.22 e-4 0.075 0.15 0.010 1.18沥青砼 2.2e-3 0.046 0.08 0.013 1.09排水基层 1.3 0.053 0.24 0.314 1.85土基 3.3 e-7 0.053 0.20 0.027 1.23输
11、出结果选用两行车道中心断面（距离道路中线 6m） ，面层、基层与底基层结构中心点。鉴于路面结构的对称性，本文选用路面左幅断面进行非饱和渗流模拟，道路中心线断面没有水流交换，设定为 Q0 流量边界，地下水位深 3m，结构底面设定为定水头边界 H=0，路面与中央分隔带为降雨边界，裂缝周围设定为定水头边界H=0。计算结果选取点示意图见图 2。基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析 -3-6m123体图 2 选取点位置示意图4 计算结果分析图 3 为裂隙结构与新建路面结构基层降雨期间体积含水量分布。降雨一个小时内，两种结构的体积含水量接近，保持初始值 6.5。接下来一个小时，裂隙结构基层体积含水量增长速度
12、比新建路面快，截止到计算时间末 t7200s，裂隙结构基层体积含水量增加到饱和值 24，比新建路面基层体积含水量 19高 5，说明裂缝的存在将导致表面水入渗量大大增加。图 4 为裂缝处入水流线图。0.0.50.10.150.20.250.301020304050607080体/s体体体 体体体体图 3 裂隙结构与新建路面结构基层体积含水量分布图 4 雨停时裂缝处入水流线图图 5 为雨停后面层体积含水量分布。排水基层结构面层由含水量饱和值 8降到 5用了24h，而密级配基层结构体积含水量降到 5用了400h。由于体积含水量 5接近面层材料的残余含水量值 4.6，随后面层的排水速率趋于平缓。说明排
13、水基层能迅速排除面层中和积滞在层间的自由水。0.10.230.450.670.8902040608010体/h体体体 体体体体体图 5 雨停后面层体积含水量分布5 结论进行沥青混凝土路面接（裂）缝降雨入渗模拟，假定行车道中间一条裂缝，路面与路肩处一条接缝，接（裂）缝宽 1cm。接（裂）缝的存在导致结构层雨水渗入量大幅增加。对于密级配基层，入渗的自由水积滞在结构层与层间；面层下设置排水基层能迅速排除结构层中的雨水。参考文献1 John Stormont, Shenxiong Zhou. Improving Pavement Sub-surface Drainage Systems by Cons
14、idering Unsaturated Water FlowR. Department of Civil Engineering, University of New Mexico, AIbuquerque, New Mexico, 2001.2 Paola Ariza, Bjorn Birgisson. Evaluation of Water Flow through Pavement Systems R. Civil and Coastal Engineering Department, University of Florida, Florida, 2002.3 张迎春.沥青稳定碎石排水
15、层的设计与试验研究D.长沙：湖南大学土木工程学院，2003.4 Perera Y Y. Moisture equilibria beneath paved areasD. Arizona State University, Arizona City, 2003.5 American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington, D.C., 1998.6 刘建华，郭忠印.基于非饱和土理论的公路排水设计方法J. 同济大学学报，2006,34(2):191-1957 姚祖康.公路排水设计手册.北京：人民交通出版社，2002.基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析 -4-
