基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析

1、基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析1收稿日期：20091222作者簡介：蘇偉翔(1982)，男，廣東廣州人，助理工程師，廣州市公路勘察設計有限公司，廣東廣州510500基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析摘要：要：針對帶裂（接）縫的瀝青路面和水泥混凝土路面結構進行滲流模擬，對于密級配基層，入滲到基層中的水分橫向排出的速度緩慢。面層下設置排水基層并結合邊緣排水系統(tǒng)能迅速排除層間及結構層內自由水，并有效地減少

2、下滲到底基層的雨水裂縫入水導致結構層含水量大幅提高。關鍵詞關鍵詞：路面排水；裂縫；滲流中圖分類號：文獻標識碼：DrainageAnalysisfCracksinPavementLayersBasedonUnsaturatedFlowTheySUWeiXiang(GuangzhouHighwaySurveyDesignCo.LtdGuangzhouGuangdong510500)Abstract:Drainageanalysisfcrac

3、ksinpavementlayersbasedonunsaturatedflowtheyMasswaterhaveInfiltratedintodensegradedbaseswhenexistingcracksjointstransversedirectionflowrateisslow.Permeablebaseshavesignificantlyreducedmoistureinthesections.Keywds:drainag

4、ecracksseepage水是危害公路的主要自然因素。大多路基沉陷、沖刷、坍塌、翻漿，瀝青路面松散、剝落、龜裂，水泥混凝土路面唧泥、錯臺、斷裂等病害，都不同程度地與地表水和地下水的侵蝕有關。水的作用加劇了路基和路面結構的損壞，加快了路面使用性能的惡化，縮短了路面的使用壽命[1]。有資料顯示，良好的公路排水系統(tǒng)能將道路的使用壽命延長2到3倍。AASHTO和美國工程兵部隊的路面設計指南都指出，完善的公路排水系統(tǒng)對確保路基路面良好的使用性能

5、、延長道路使用壽命和節(jié)省道路養(yǎng)護費用等方面起著關鍵的作用[23]。Birgisson[2]基于非飽和土理論，采用SEEPW軟件對明尼蘇達州三條公路進行滲水模擬。通過SEEPW計算出公路初始地下水位，修正由明尼蘇達州公路局提供的土水特征曲線進氣值、斜率和滲透系數(shù)等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)含水量的模擬值與實測值有很好的相關性。結論指出，SEEPW能有效地模擬多層路面結構的非飽和排水。本文基于前人非飽和土參數(shù)值的研究上，運用有限元軟件針對帶裂（接）縫的瀝青

6、路面和水泥混凝土路面結構進行滲流模擬，分析新建路面與帶裂縫路面結構雨水入滲量，路面內部排水系統(tǒng)對以上結構的排水性能改善程度。1路面結構層滲流模型非飽和土與飽和土的根本區(qū)別在于，前者為三相體，部分空隙由氣體填充。Fredlund[4]等采用兩個獨立應力狀態(tài)變量進行非飽和土的理論應力分析。這兩個獨立應力狀態(tài)變量是凈法向應力和基質吸力。其中σ為土體)(w???)(wa???單元法向應力，μa為孔隙氣壓力，μw為孔隙水壓力。飽和土是非飽和土的一

7、種特殊情形，即＝0，因此只有一個應力狀態(tài)變量)(wa???。通常在工程應用中假定孔隙氣壓力與)(w???大氣壓強相等，于是μa＝0，因此非飽和區(qū)的壓力勢就是負孔隙水壓力（μw），即基質吸力就用負孔隙水壓力來衡量。（1）wwy????式中：y為距離地下水位的距離，水位以上為負，基于非飽和流的路面結構裂縫滲水分析36m123體體體體體體體圖2選取點位置示意圖選取點位置示意圖4計算結果分析圖3為裂隙結構與新建路面結構基層降雨期間體積含水量分布

8、。降雨一個小時內，兩種結構的體積含水量接近，保持初始值6.5％。接下來一個小時，裂隙結構基層體積含水量增長速度比新建路面快，截止到計算時間末t＝7200s，裂隙結構基層體積含水量增加到飽和值24％，比新建路面基層體積含水量19％高5％，說明裂縫的存在將導致表面水入滲量大大增加。圖4為裂縫處入水流線圖。0.000.050.100.150.200.250.30010002000300040005000600070008000體體s體體體體體

9、體體體體體體體體圖3裂隙結構與新建路面結構基層體積含水量分布裂隙結構與新建路面結構基層體積含水量分布圖4雨停時裂縫處入水流線圖雨停時裂縫處入水流線圖圖5為雨停后面層體積含水量分布。排水基層結構面層由含水量飽和值8％降到5％用了24h，而密級配基層結構體積含水量降到5％用了400h。由于體積含水量5％接近面層材料的殘余含水量值4.6％，隨后面層的排水速率趨于平緩。說明排水基層能迅速排除面層中和積滯在層間的自由水。0.000.010.020

10、.030.040.050.060.070.080.0902004006008001000體體h體體體體體體體體體體體體體體圖5雨停后面層體積含水量分布雨停后面層體積含水量分布5結論進行瀝青混凝土路面接（裂）縫降雨入滲模擬，假定行車道中間一條裂縫，路面與路肩處一條接縫，接（裂）縫寬1cm。接（裂）縫的存在導致結構層雨水滲入量大幅增加。對于密級配基層，入滲的自由水積滯在結構層與層間；面層下設置排水基層能迅速排除結構層中的雨水。參考文獻參考文

11、獻[1]JohnStmontShenxiongZhou.ImprovingPavementSubsurfaceDrainageSystemsbyConsideringUnsaturatedWaterFlow[R].DepartmentofCivilEngineeringUniversityofNewMexicoAIbuquerqueNewMexico2001.[2]PaolaArizaBjnBirgisson.EvaluationofW

12、aterFlowthroughPavementSystems[R].CivilCoastalEngineeringDepartmentUniversityofFlidaFlida2002.[3]張迎春.瀝青穩(wěn)定碎石排水層的設計與試驗研究[D].長沙：湖南大學土木工程學院，2003.[4]PereraYY.Moistureequilibriabeneathpavedareas[D].ArizonaStateUniversityArizon