（岩土工程专业论文）红粘土路基水汽运移特性及防排水优化设计研究.pdf

摘要 路基水分迁移主要是毛细作用下、降雨作用下产生地表径流和高水位造成路基内部 产生渗流及日照温度场作用下产生的路基水汽迁移。路基在( 裂缝) 渗流作用、毛细作 用以及温度场作用下，内部土体含水量、孔隙水压会发生变化，使得土体抗剪强度降低， 土体产生湿陷和变形，从而引起一系列的路基水毁破坏。 本文主要研究非饱和土路基的水作用机理以及非饱和土路基水汽迁移特征、迁移规 律及影响因素。其中包括毛细水、降雨渗流、裂隙流、水位升降等因素下的非饱和土路 基水汽迁移规律，比如孔压、水分分布的发展变化，引发的路基强度稳定、路面结构安 全等公路病害。 结合南方高液限、膨胀土类路基用红粘土性质，进行非饱和土水汽运移的室内试验 研究，包括毛细水上升试验、常规固结剪切试验渗透试验以及土水特征曲线测定试验。 利用有限元分析软件g e o s t u d i o ，进行非饱和土水汽运移的模拟研究。建立非饱和 土路基有限元模型，模拟水汽运移中的毛细迁移过程中水分分布变化、毛细水上升高度 等。研究非饱和土路基在不同边界条件下水分和孔压动态变化。模拟路基在不同降雨历 时、不同降雨边界条件、路基表面有无裂缝等情况下的水分运移规律，得出路基土内部 水汽运移规律。针对非饱和土路基水汽运移模拟分析结果，引出路基路面防排水处理措 施必要性。 关键词：红粘土；水汽运移；毛细水；土水特征曲线；数值模拟； a bs t r a c t s u b g r a d e m o i s t u r e m i g r a t i o nm a i n l yi n c l u d e s o m e t y p e s t h a t c a p i l l a r ya c t i o n ， e m b a n k m e n ts e e p a g ec a u s e db ys u r f a c er u n o f fg e n e r a t e db yr a i n f a l la n dh i g hw a t e rl e v e l ，a n d t e m p e r a t u r ew a t e rv a p o rc h a n g i n gg e n e r a t e db ys u n s h i n e t h ei n t e r n a ls o i lw a t e rc o n t e n ta n d p o r ew a t e rp r e s s u r ew i l lc h a n g e sd ot ot h ee f f e c to fc r a c ks e e p a g e ，c a p i l l a r ya c t i o n ，a n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l d s ，c o r r e s p o n d i n g l yr e d u c i n gs o i ls t r e n g t h ，a n df i n a l l y s o i lc o m ei n t o s u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o n ，c a u s i n gas e r i e sw a s h o u tt os u b g r a d e a si sc o n c e r n e d ，t h i sp a g em a i n l yd or e s e a r c ho ng l e i z a t i o n m e c h a n i s m ，s u b g r a d e m o i s t u r em i g r a t i o nc h a r a c t e ra n dr u l e sa sw e l la si n f l u e n c ef a c t o r ，i n c l u d i n gm o i s t u r e m i g r a t i o nl a wc a u s e db yc a p i l l a r ya c t i o n ，r a i n f a l la n dc r a c ks e e p a g e ，w a t e rl e v e lf l u c t u a t i o n s u c ha st h ec h a n g e so fw a t e rd i s t r i b u t i o na n dp o r e w a t e rp r e s s u r ew h i c h t r i g g e rd i s e a s eo ft h e r o a ds t r e n g t ha n ds t a b i l i t y , s t r u c t u r a ls a f e t y c o m b i n e dw i t ht h ep r o p e r t i e so fr e dc l a yw i t hh i g hl i q u i dl i m i ta n de x p a n s i o ni nt h e s o u t ha r e a ，w ec a r r yo u tl a b o r a t o r yt e s tr e s e a r c ho nw a t e rv a p o rt r a n s p o r ti nu n s a t u r a t e ds o i l ， i n c l u d i n gt h ec a p i l l a r yw a t e rr i s et e s t ，r o u t i n es h e a rc o n s o l i d a t i o nt e s t ，p e r m e a b i l i t yt e s ta n d s o i lw a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v em e a s u r e m e n t f i n a l l y , s e taf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dd om o i s t u r em i g r a t i o ns i m u l a t i o nr e s e a r c ho n u n s a t u r a t e ds o i ls u b g r a d ew i t hg e o - s t u d i os o f t w a r e ，t h a ta r ec h a n g e si nw a t e rd i s t r i b u t i o na n d t h el i m i th e i g h to fc a p i l l a r yw a t e rc a l lr e a c h ，w a t e rc o n t e n ta n dp r e s s u r ec h a n g e su n d e r d i f f e r e n tr a i n f a l lc o n d i t i o n s a n da l s oa n a l y z et h el a wo fm o i s t u r em i g r a t i o ni ns u b g r a d e u n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tr a i n f a l lt i m ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，w h e t h e rt h e r ea r e c r a c k so rn o to ne m b a n k m e n ts u r f a c e b a s eo nt h em o i s t u r et r a n s p o r t a t i o nm o d e l i n gr e s u l t so f u n s a t u r a t e d s o i l ，l e a dt ot h en e c e s s i t yo fp a v e m e n td r a i n a g et r e a t m e n tm e a s u r e s k e yw o r d s ：r e dc l a y ；m o i s t u r em i g r a t i o n ；c a p i l l a r yw a t e r ；s o i la n dw a t e rc h a r a c t e r 驶 c u r v e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特j j t l d h 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： q 字纭 日期：矽夕年岁月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：门易虽 导师签名： 狮咎 日期：砷年岁月巧日 日期：加卜年y 月衫日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究目的 随着国民经济的飞速发展，对于快速交通的需求越来越大，公路、铁路工程 建设规模逐步扩大。公路、铁路交通特别是公路交通是长短途货物运输的重要渠 道，公路运输成为现代物资交流的重要一环。因此，良好道路状况是确保一个国 家的经济和社会发展重要因素。道路损坏及道路欠维护对行车安全具有严重影 响。为减小地下水对路基的影响，路基一般铺设在地下水位以上，从而路基土属 于非饱和土的范畴。工程建设中不同工程地质条件中都要用到土，一些不良土如 膨胀土、粉土、黄土和湿陷性土等被用于路基填土。土体是固体颗粒、孔隙水和 孔隙气体的三相混合物，一般天然土、填筑和分层填筑土路基都考虑为非饱和土。 修筑后的公路、铁路路基在气候、行车等因素影响下，浅层非饱和土工程性质将 受其影响而产生一些变化，特别是对水分敏感的膨胀土、黄土、残积土、粉粘土、 红土等特殊土影响更强烈。建成后的路基暴露在自然环境中，不仅受到路面荷载 的作用，同时有大气降雨、地下水位变化引起的毛细作用及同照、温度变化等因 素影响。路基在( 裂缝) 渗流作用、毛细作用以及温度场作用下，内部土体含水 量、孔隙水压会发生变化，使得土体抗剪强度降低，土体产生湿陷和变形，从而 引起一系列的路基破坏。因此，路基上发生的许多工程病害问题，例如沉陷、网 裂、纵裂、翻浆、冻融、坍塌等，在很大程度上与路基土中水汽的运移情况有直 接联系。在多因素作用下路基含水量涉及到土中水分迁移问题。路基水分迁移动 力主要毛细作用、降雨作用下产生地表径流和高水位造成路基内部产生渗流及日 照温度场作用下产生的路基水汽迁移。研究非饱和土水汽运移变化规律对处理非 饱和土工程路基强度和稳定性问题很有必要。 综上所述，研究非饱和土路基的水作用机理以及非饱和土路基水汽迁移特 征、迁移规律及影响因素，分析其对路基的破坏影响作用，为路基的防排水设计 与路基破坏治理提供理论依据和施工指导。 1 2 非饱和土水汽运移研究现状 土体是自然生态环境的一个重要组成部分，它与人类的生活和生产活动有着 极为密切的关系。在土体的固、液、气三相组成中，土体中的水分是最活跃的因 素。大自然中，土中水以液态形式存在，土中水很少是静止的，即使是在冻土地 区。土体水主要是以液态流动形式存在。当然，在一定条件下，土水也可以以气 态形式运动，也就是气相运移。土体中水球运移遵循质量守恒定律，土水运移的 内在动力是土水势，即土体中水从水势高处往水势低处的流动。在土水平衡状态 下，土水系统内部各点水势能相等，土体水分运动处于相对静止状态。一旦土体 系统内部存在水势不等的点，整个系统就不会平衡，土体能就会有水分运动。所 以发生水分运动的土体系统必定是一个非平衡系统。在自然条件下，土水系统往 往没有达到平衡状态，土体三相系统在外界条件如日照蒸发、降与入渗、水位升 降等影响因素作用下，土体内部水分将会重新分布，土水汽将随之产生运移变化， 土体的自身非平衡状态也将发生改变。因此，在自然界中，土体在千变万化自然 因素作用下大多处于非平衡状态，水汽运移普遍存在与饱和非饱和土中1 1 】。 1 2 1 国外研究现状 非饱和土体中水汽运移问题一直是土体学界研究的重要课题之一。最早是法 国工程师h d a r c y ( 1 8 5 6 ) 通过对均质饱和砂土的渗流试验，得出了渗流力学的 基本定律达西定律。此基础上，渗流理论及其应用研究得到了迅速发展。 g r e e n a m p t ( 1 9 1 1 ) 通过试验建立了入渗速度与水势梯度之间的数学关系模型； r i c h a r d ( 1 9 3 1 ) 1 2 j 将d a r c y 线性渗流理论引入了非饱和土渗流中，导出了土水系 统的质量守恒方程。b o d m a n 和c o l e m a n ( 1 9 3 1 ) 研究了简单的典型的垂直入渗 问题，即干土在积水条件下的入渗。他们将土体含水量剖面分为四个区：饱和区、 过渡区、传导区和侵润区。p h i l i p ( 1 9 5 7 ) 提出了考虑重力影响和忽略重力影响 条件下的入渗公式。h o l t o n ( 1 9 6 1 ) 建立了以含水量为参数的公式。r e m s o n 4 l ( 1 9 7 1 ) 等编著地下水文学的数值法，对7 0 年代以前的饱和非饱和渗流有 限差分数值模拟作了比较全面的回顾和介绍。n e u m a n ( 1 9 7 3 ) 提出了把饱和和 非饱和状态进行统一考虑，连续求解的数值解法，在非饱和渗流计算方面得到了 学术界的认可。赤井浩一等在n e u r n a n 的基础上研究了考虑土水特征曲线吸湿与 脱湿不同情形影响的饱和非饱和渗流。也门做了砂槽模型试验，并用有限元方 法模拟了砂槽试验，其数值模拟结果与实测结果基本吻合。s m i t h p a r l a n g e ( 1 9 7 8 ) 提出了降雨条件下的入渗方程，提出了三重介质渗流模型。l a m 和f r e d l u n d 3 】 ( 1 9 8 7 ) 对饱和非饱和土渗流问题作了比较完整的论述，把非饱和土体水运动 理论与非饱和土固结理论相结合，得到了符合岩土工程师使用习惯的饱和非饱 和渗流控制方程，并运用二维有限元方法对复杂地下水流动系统的几个暂态渗流 实例问题进行了数值模拟。s a m m o r i 和t s n b o y a n m a ( 1 9 9 1 ) 采用g a l e r k i n 有限 元法模拟了恒定降雨强度下边坡暂态渗流过程，并对边坡的稳定性进行了参数研 究，其中考虑了斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等因素的影响。 s h i m a d a 等( 1 9 9 5 ) 用g a l e r k i n 有限元法模拟了不同降雨强度和不同土的类型条 件下的二维非饱和渗流。并采用刚体弹簧模型进行了斜坡稳定性数值分析。结果 2 表明较高降雨强度引起安全因数显著降低，渗透性函数对斜坡安全因数降低影响 较小，接近饱和时，基质吸力较小改变可引起斜坡安全因数大幅度降低。 1 2 2 国内研究现状 我国国内近二十几年来在非饱和土水汽迁移的研究领域也开展了许多工作。 黄俊、苏向明1 5 l ( 1 9 9 0 ) 采用伽辽金有限元法隐式向后差分法，编制出简单合理、 切实可行的计算程序s u s e d ，并以唐山陡河土坝为计算对象，对该坝进行了饱 和非饱和渗流数值计算，计算结果规律正常。李信等1 6 j ( 1 9 9 2 ) 应用伽辽金有 限元法对三维饱和非饱和土渗流问题进行计算研究，介绍了数值方法和主要计 算公式，给出了典型算例的计算结果，并与前人的试验资料进行比较。陈善雄， 陈守义1 8 1 ( 1 9 9 7 ) 用积分有限差分方法模拟了降雨条件下土体中水分的运动情况， 并对降雨条件下非饱和土坡的稳定性的分析方法做了研究。朱文彬、刘宝琛等 ( 2 0 0 2 ) 3 0 用饱和非饱和土的渗流理论，并运用有限元法和有限差分法对公路边坡 在降雨过程中的渗流规律进行了一个实例分析，模拟了雨水在土坡中的渗流过 程。邵龙潭对气体排出和水分入渗运动进行了试验研究，用数值模拟方法进行对 比。他认为在研究水流入渗问题时，对一些导气率较低的土类，考虑气相的压缩 和运动的影响是必要的。吴梦喜等1 1 1 】( 1 9 9 9 ) 对一般的饱和非饱和渗流有限元 计算方法加以改进，有效消除了非饱和渗流数值计算中存在的数值弥散现象，同 时提出了一种简洁有效的逸出面处理新方法。朱军l l2 j 对饱和非饱和渗流计算做 了系统的研究，提出了求解渗透流量一种简单的方法。并对随机渗流场的数值分 析做了深入的研究。黄茂松等【1 3 】( 2 0 0 6 ) 主要对考虑非饱和非稳定渗流的极限 平衡法和位移有限元法进行评价和对比，着重讨论了强度折减有限元法在考虑渗 流作用的土坡稳定分析中的应用，给出了一些初步成果，并提出了今后的研究方 向。孙冬梅等1 1 0 1 ( 2 0 0 7 ) 基于水气二相流理论，建立了水气二相流数学模型，并在 应用n e w t o n r a p h s o n 迭代方法得到相应的线性方程组的基础上，编制了三维计算 程序s e e p 2 p ，进行了计算分析。孙冬梅等【1 6 j ( 2 0 0 8 ) 根据水、空气的质量守恒 定律和达西定律，结合多相流理论建立水气二相流模型，采用高效的积分有限差 分法求解，通过变换主要变量，实现饱和( 单相) 与非饱和( 二相) 的相互转变，并给出 各种边界条件下合理的数学处理方法。通过m u s k a t 渗流问题，验证了上述模型的 正确性：并对某土质岸坡水位下降时的非稳定渗流问题进行分析。李继祥【l8 j 等 ( 2 0 0 9 ) 在传统的应力平衡方程基础上，结合岩土介质饱和非饱和渗流理论，考虑 边坡岩土体的非饱和性及渗透系数的非线性特征，建立了渗流场应力场耦合方 程，并将其时间、空间离散后得到增量形式的有限元方程组。结合数值算例，对降 雨条件下非饱和土质边坡进行了流固耦合分析。研究结果可为降雨条件下边坡稳 定性分析和滑坡预测提供技术支持。 3 1 3 非饱和土路基水汽迁移研究现状 路基水分迁移动力主要毛细作用、降雨作用下产生地表径流和高水位造成路 基内部产生渗流及日照温度场作用下产生的路基水汽迁移。 1 3 1 毛细水对路基影响作用 土中水在表面张力作用下沿着土中细孔裂隙向上方和其它方向移动的现象。 称之为毛细现象。毛细水上升是地基中水分主要补给来源，在毛细作用下水逐步 上升，导致路基土干湿状态发生改变，路基土的性质变化引发路基的强度降低、 软化变形等不利变化，进而使路基结构遭到破坏，影响路面结构的强度和稳定性。 有关土中毛细作用研究主要有毛细水上升高度、上升速度、迁移规律以及对路堤 影响。海森( a h a z e n ) 是最早提出土层中毛细水上升高度经验公式，该公式在 描述土体内毛细水上升高度有一定积极意义，但在描述毛细水速度速度方面只认 为土颗粒大小对对其有影响，不能定量描述。方云【1 9 】( 1 9 9 6 ) 推出了一般形式 的界面力系方程，既适用于光滑连续曲面上的点，又适用于任意曲面上的非连续 点，因而比拉普拉斯公式具有更大包容性，可视作毛细体系中界面力平衡一般表 达式。霍玉霞1 2 2 j ( 2 0 0 6 ) 通过室内试验，采用直接观测法和卡明斯基法测定常 见路基土的毛细水上升高度值，并对两种测定结果进行对比分析，初步建立了两 者之间的关系式以及直接观测法毛细水上升高度h 与压实度k 的关系式。姚华【2 1 l ( 2 0 0 7 ) 通过对七种粗粒土料进行室内竖管法毛细水上升高度试验，建立了粗粒 土毛细水上升高度与时间的关系曲线，并分析了各曲线变化规律和原因对方程参 数与土料基本物理指标进行逐步回归分析，最终得出粗粒土毛细水上升高度与孔 隙率、干容重、级配系数有着比较密切的联系，并在此基础上建立了粗粒土毛细 水上升高度的预测公式。赵明华f 2 0 j 等( 2 0 0 8 ) 在土颗粒等粒径假设下导出了毛 细水上升高度与时间、土颗粒大小排列关系及毛细水半径效应；利用多孔介质理 论建立路基土毛细作用多孔介质模型，探讨了多孔介质模型下的非饱和土渗透率 关系；基于毛细水流质量守恒和路基毛细作用模型及土一水特征曲线。求得路基 毛细水达到最大高度所需要的时间和单位体积路基土毛细作用下含水量的变化 关系。陈晋中【2 3j 等( 2 0 0 8 ) 进行毛细水作用下低路基强度和变形特性研究，分 析讨论了基质吸力、路基含水率与路基回弹模量等的关系，从而为预估路基变形 回弹模量提供理论依据。目前，对于路基毛细水上升机理研究比较少，其对路基 强度变形的深度影响机理有待于进一步研究。 1 3 2 降雨入渗对路基影响机理研究 公路路基边坡在降雨作用下，雨水除直接对路基冲刷外，还可通过地表径流 流过路肩、路堤及路面裂隙处，使得雨水入渗进入土体，从而对路基土产生影响。 4 1 3 2 1 基于降雨入渗水汽迁移规律探讨 随着降雨入渗的开始，水在土体中渗流会形成暂态渗流场，土体饱和度增加， 表层土体达到饱和含水率，水不断向土体深部迁移。但如果在降雨历时过程中， 土体入渗能力小于降雨强度，部分雨水进入土体内部，部分水形成地表径流，形 成有压渗透，这样非饱和土坡可在降雨过程中分为暂态饱和区、水力传导区、侵 润区、饱和区。当降雨强度小于土体入渗能力时候，降雨全部转化为入渗，雨水 自由入渗，降雨边界条件为无压渗透，随着时间增加，土体含水率持续增大，侵 润区向下迁移。水分进入土体的过程，是由基质吸力和毛细力共同作用，当降雨 入渗结束后，土体内水分重分布。当然降雨入渗过程中的入渗雨量、入渗速率等 问题与初始路基边坡干燥条件、基质吸力、降雨雨型、土体密实度( 空隙大小) 、 有无裂缝及裂缝大小等诸多因素相关。 在很早时候，许多国内外学者对降雨入渗问题进行了理论和数值模拟等方面 的研究。总括分析发现利用计算机技术，采用有限元数值分析方法处理降雨入渗 边界条件和各相异性土体效果比较好。现如今2 1 世纪，土木工程发展迅速，一 些人研究降雨入渗取得了一定成果。朱岳明【r 7 j 等( 2 0 0 3 ) 对三维饱和非饱和渗 流场的有限单元法求解进行了详细论述，在边界条件中明确列出了非饱和渗流逸 出面边界条件的数学表达式，文中特别提出了降雨入渗边界条件及非饱和逸出面 边界条件( 包括降雨中间停雨时期边界条件) 在渗流场求解中的正确处理方法，提 出和定义了描述土体渗流特性的极限含水率和蒸逸系数的两个新概念。刘小平1 1 4 j 等( 2 0 0 8 ) 基于路基内部水运动原理。分析了降雨对路基的浸润作用，研究i e m 和f d i = m 降雨模型雨水入渗路基机理，研究降雨作用下非饱和土路基的饱和- 非 饱和流机理，导出了降雨作用下雨水入渗路基降雨入渗深度公式，：初步推出了 降雨作用下非饱和土路基的饱和非饱和渗流公式。王铁行等【2 5 j ( 2 0 0 8 ) 考虑含 水率和密度影响，给出了非饱和黄土路基水分场的计算模型，探讨和确定了模型 参数。指出非饱和黄土水体积变化系数m 2 w 并非恒值，不仅随含水率的变化而变 化，还明显受到干密度的影响。应用编制的有限元程序，模拟不利降雨条件，对黄土 路堤入渗过程进行了计算分析。揭示出黄土路基湿软区随时间的增大过程，湿软 区域大小受到土体密实度的显著影响，密度较小路基湿软区域大小明显大于密实 度较大的路基。比较大的湿软区域易导致路基路面病害。增加路基土体密实度， 对防止雨水入渗危害也是有利的。因此研究路基内部水汽迁移机理，有效认识路 基土水渗流场分布、水汽动态运移规律，对截断渗流路径、控制路基含水率分布 等具有实质性指导意义，在具体设计中考虑路基边坡防排水、截流、引流等措施。 1 3 2 2 基于降雨入渗路基土稳定性研究 5 路基填挖方土除埋深位于地下 水位以下的多为非饱和土，由于土体 自身基质吸力的存在，对抗剪强度具 有贡献作用，土体抗剪强度较高，土 坡是稳定的。但是在大气降雨时，雨 水入渗使土体饱和度增加，吸力锐减 并引起抗剪强度大幅度下降，伴随着 降雨入渗在填挖方交界、低填、挖方 等路基中的开展，雨水入渗达到一定 深度，土体内部渗流场发生变化，孔 降雨 图1 1 降雨示意图 隙水压力变化，相应的增加了土体容重，使得土体抗剪强度下降。相应的土体各 项性质也将随之改变，出现强度、结构稳定性减弱，从而引发路基变形和结构破 坏以及路基边坡的滑坡失稳，进一步造成路面结构稳定性破坏，出现开裂、翻 浆、断裂、水毁滑坡等工程问题。尤其是在南方降雨丰富的地区，土质性状不太 好，特别是对水敏感、亲水性强、遇水软化的土，如膨胀土、残积土、高液限红 粘土等粘性土路基边坡，常在雨季发生滑坡地质灾害。 吴宏伟等【z 7 j ( 1 9 9 9 ) 针对香港地区一种典型非饱和土斜坡，用有限元方法 模拟雨水入渗引起的暂态渗流场，将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的 极限平衡分析。考虑基质吸力对抗剪强度的贡献，计算中采用延伸的摩尔一库伦 破坏准则，研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场 和斜坡安全因数的影响。李守德等【2 9 l ( 2 0 0 5 ) 讨论了边坡土体在入渗、蒸发条 件下的边界条件表达形式，研究了入渗、蒸发交替等作用条件下非饱和土坡吸力 变化规律，探讨了水分运移对土坡稳定性的影响规律，认为在入渗、蒸发交替作 用的过程中，入渗过程湿润区形成较快，而无蒸发或有蒸发的湿润区水分相对运 移较慢，气候条件及地下水位变动引起土体吸力及含水率变化对土坡稳定性的影 响是非常显著的。魏宁等【2 8 】( 2 0 0 6 ) 采用数值分析方法，建立蒸发和降雨模型 对边坡进行非饱和一非稳定渗流分析，用总凝聚力表示的b i s h o p 极限平衡法计算 边坡安全系数，得出孔隙水压力、边坡安全系数随时间变化的关系。刘兴旺【2 6 】 等( 2 0 0 9 ) 采用非饱和土强度理论和极限平衡法，得出考虑降雨入渗渗流力作用 下的路基稳定性计算公式。通过渗流力把入渗深度引入安全系数的计算公式。并 通过安全系数对入渗深度求导，分析入渗深度对路基稳定性的影响及其原因。 1 4 路基防排水技术研究 水是危害公路的主要自然因素，完善的排水设计是公路工程的重要组成部分， 对保证公路的使用性能和使用寿命具有十分重要的作用。因此，许多国家对高等 6 级公路防排水研究比较重视，在总结一系列工程实践和规律的基础上编纂防排水 设计规范和指南，用以指导工程防排水设计施工。比如美国联邦公路局的设计指 南( 1 9 8 6 ) ，德国的公路排水设计规范( 1 9 8 7 ) ，日本的道路排水施工指南 ( 19 8 7 ) ，英国的路边地面排水沟槽出口设计( 19 9 6 ) 等。国内对防排水研 究稍晚，同济大学在9 7 年编制了公路排水设计规范，用以指导国内公路排 水设计施工。国内的一些学者也对路基防排水进行了一些研究。 1 2 防排水示意图 高速公路路基形式多样，主要有挖方、填方、半填半挖等形式，防排水措施 也具有多样性。降雨入渗引起边坡内渗流场发生变化、地下水侧向流动进入路基 是诱发路基灾害最活跃、最关键的因素。半填半挖路基土体在挖方与填方部分的 性质是不同的，两者交界处土性差异比较大，当存在地下水渗流以及降雨入渗等 情况时候，路基稳定将受到很大影响。魏云杰【3 0 】等( 2 0 0 3 ，2 0 0 6 ) 提出半填半 挖情况下的两种水分运移特征( 1 ) 挖方路基下部有承压含水层情形，在高压力水 头作用下水流速度较快快，将直接冲击填方路基。一部分地下水渗入填方路基内 部，向填方边坡一侧排泄，从而使得填方路基内部土体发生湿化变形；另一部分 水沿着挖方和填方交界流动，向填方边坡脚排泄，使填挖部分分离。( 2 ) 挖方路 基下部不存在承压含水层，大气降雨及顺坡地表水从路面直接渗入路基内部，沿 填挖交界流动，增加填方体孔隙水压力，土体性质变化，出现湿软变形，造成滑 坡等路基损毁。杨艳娜【3 1 】等分析了半填半开挖类路基的破坏机理，( 1 ) 风化破碎 边坡松散堆积体内部富集的地图 下水侧向渗入路基系统，在路基两侧形成水位差，急水流带走填方堆积物中的细 粒物质或直接冲刷路基边坡和坡脚，如果路基系统排水不畅或地下存在不良地质 体( 如软土层) ，滞留于路基内的大量地下水可使软土层饱水膨胀，路基变软而成 为“橡皮路 或发生横向滑动，引起路面破损开裂、路基翻浆等。( 2 ) 当边坡地 下水接受降雨补给，通过挖方一侧未压实土体渗入路基，一部分向填方一侧排泄 同时软化填方岩土体，另一部分沿挖方系统和填方系统边界流动，并向填方边坡 下脚排泄，如果坡脚未进行必要的支护，在自重和荷载作用下发生滑移，可能使 7 路基发生整体或局部滑移破坏。总体来讲对无论填方、挖方、填挖交界等路基形 式，路基防排水主要原则还是防水和排水。堵水和排水措施主要有：边坡上部截 水沟、截流槽、急流槽等迅速截水及引排水。坡脚排水边沟，底部盲沟，并设一 定横向和纵向盲沟加强路基内部排水。盲沟可以将高处渗流到路基内部的水迅速 引排出去，减少水在土体中滞留时间，降低其对路基的水化作用。填方路基坡脚 处设引排管出水口并做好清淤、导流措施。同时路面结构及附属物排水设施要完 善，尽量减少路面积水，降低因路面开裂使得雨水进入造成路基损毁的可能性。 1 5 本文的主要工作及思路 ( 1 ) 根据非饱和土水汽运移理论研究，设计非饱和土路基在水汽迁移影响下 的水分重分布试验。主要试验有一维非饱和土土柱毛细水上升试验、吸水试验， 研究水在土中运移规律以及毛细水上升高度与时间关系等。利用限元分析软件 g e o s t u d i o 等进行简单路基毛细水上升数值模拟，研究毛细水上升与时间、边 界条件等的关系。 ( 2 ) 进行非饱和土土水特征曲线测定试验及抗剪强度试验，利用压力板仪方 法测定两种红粘土的土水特征曲线，分析含水率同基质吸力之间的关系：分析初 始含水率不同、密实度不同的土体的抗剪强度参数( c 、驴值) 的变化规律。推 求影响非饱和路基强度稳定性的一些因素。 ( 3 ) 利用有限元分析软件g e o s t u d i o ，进行非饱和土水汽运移的数值模拟研 究，研究一般非饱和土路基在不同边界条件下水分和孔压变化。分析降雨历时降 雨边界条件、路基表面有无裂缝等情况下的水分运移规律。对水汽运移造成的路 基渗流场变化、含水率分布变等做对比分析研究，得出非饱和土水汽运移的一般 规律。 ( 4 ) 对影响公路水环境的工程影响因素进行分析总结，讨论公路防排水研究 基本措施，以此提出红粘土路基防排水具体办法。 8 第二章路基毛细势作用下水汽运移规律研究 毛细水上升是路基水分变化的主要补给来源，毛细水不断浸润路基，使得路 基土中含水量增加，特别是当地下水位上升，缩短了毛细作用路径，加快了毛细 作用对路基土中水的补给。毛细水的上升引起路基内土体含水率分布、孔隙水压 力发生变化，并能导致路基软化变形，进而使路基强度降低，结构性遭到破坏， 产生沉陷、网裂、纵裂、翻浆、冻融、坍塌等病害。有关土中毛细作用研究主要 有毛细水上升高度、上升速度以及毛细压力。 2 1 非饱和土毛细作用下汽运移对路基影响 路基一般是由颗粒级配不同的土石经过挤压密实形成，并且一般路基土为非 饱和土，在微观上会产生类似毛细管的通道，借助毛细作用的影响，再加上土体 中基质吸力存在，为路基中毛细现象的产生提供了外界条件。对于土中毛细现象 的原因，早在1 9 3 6 年，o s t a s h e v 认为毛细水流动的因素有孔隙水压力和毛细作用 等。h o g e n t o g l e r 和b a r b e r ( 1 9 4 1 ) 还认为毛细水的流动同细管中的毛细上升公式一 致。因为毛细作用与土中的基质吸力有关，所以毛细水的上升高度与土一水特征 曲线( s w c c ) 有很大关系，并且初始含水率、密实度标准等土体初始条件也对毛细 水上升高度产生一定的影响。 2 1 1 毛细现象产生机理 土的毛细性是指能够产生毛细现象 的性质。土的毛细现象是指土中水在表 面张力作用下，沿着土的细小孔隙向其 他方向移动的现象。它是一种存在于地 下水面以上细微空隙中的一种特殊类 型的水。它的形成过程可用物理学中的 毛细管现象来解释。水与土颗粒表面的 分子引力使土粒表面附近的水增加，而 使得土体孔隙中颗粒间形成弯液面，水 与空气晃面的表面张力总是试图将液 体表面积缩至最小，使弯液面变为水平 面。但当弯液面的中心部分有所升起 时，水面与土粒间的分子力又立将弯液 骥塞：强街 气泡 毛细水i l - j c l 乏乒薹 躺q 蘑螨 土隆奔j 澎、髫舞 地下蓊 水位 徘耋爨 图2 1 土层中的毛细水带 面的边缘牵引上去。这样，分子力使毛细水上升，并保持弯液面，直到毛细水柱 的重力与弯液面表面张力向上的分力平衡时，水才停止上升。在土体颗粒间存在 9 的水被称为毛细水。 2 1 2 土中毛细水带 土层中由于毛细现象所湿润范围称为毛细水带。根据其形成条件和分布状 况，可以分为三种，如图2 1 ，具体分类如下： ( 1 ) 正常毛细水带( 又称毛细饱和带) 它位于毛细水带的下部，与地下潜水 连通。这一部分的毛细水主要是由潜水面直接上升而形成的，毛细水几乎充满了 全部孔隙。正常毛细水带会随着地下水位的升降作相应的移动。 ( 2 ) 毛细网状水带。它位于毛细水带的中部。当地下水位急剧下降时，它 也随着急速下降时，这时在较细的毛细孔隙中有一部分毛细水来不及移动，仍残 留在孔隙中，而在较粗的孔隙中因毛细水下降，孔隙中留下空气泡，这样，使毛 细水呈网状分布。毛细网状水带中的水，可以在表面张力和重力作用下移动。 ( 3 ) 毛细悬挂水带。它位于毛细水带的上部。这一带的毛细水是由地表水 渗人而形成的，水悬挂在土颗粒之间，它不与中部或下部的毛细水相连。毛细悬 挂水受地表气候环境条件影响很大。当地表有大气降水补给时，毛细悬挂水在重 力作用下向下移动。 上述三个毛细水带不一定同时存在，这取决于当地的水文地质条件。当地下 水位很高时，可能就只有正常毛细水带，而没有毛细悬挂水带和毛细网状水带； 反之，当地下水位较低时，则可能同时出现3 个毛细水带。在毛细水带内，土的 含水量是随深度而变化的，自地下水位向上含水量逐渐减小，但到毛细悬挂水带 后，含水量有所增加。 2 1 3 毛细水上升高度 水与空气的分界面上存在表面张力，而液体总是力图缩小自己的表面积，以 使表面自由能量变得最小，这也是一滴水珠也成为球状的原因。另一方面毛细水 管的分子和水分子之间有引力作用，这个引力使与管壁接触的那部分的水面呈向 上的弯曲状，这种现象一般称为湿润现象。当毛细管的直径较细时，毛细管内水 面的弯曲面互相连接，形成内凹的弯液面。 在实际中土中毛细水上升与土中基质吸力有关，并且受颗粒阻力影响，实际 的土体中毛细水上升高度量测及计算还比较复杂。有一些估算毛细水上升高度的 惊讶公式，如海森( a h a z e n ) 的经验公式： 仆丢 d 式中：h o 一一毛细水上升高度( m ) ； e 一一土的孔隙比： d l o 一一土的有效粒径( m ) ； c 一一系数，与土粒形状及表面洁净情况有关，c = l x l 0 5 x 1 0 。5 阳2 ) 。 毛细水主要存在于直径为0 0 0 2 0 5 0 0 m m 大小的毛细孔隙中。孔隙更小者， 土粒周围的结合水膜有可能充满孔隙而使毛细水不复存在。粗大的孑l 隙，毛细力 极弱，难以形成毛细水，毛细上升高度也比较小。故毛细水主要存在于粉细砂、 粉土和粉质粘土中。 2 1 4 毛细势与基质吸力 在自然界中，可以将土看做一个整体土水体系，土中水在一些物理力学或其 1 0 他作用下发生运动变化，其中存在个能量转移和转换的过程。物理学中能量包 括动能和势能。动能与物体速度平方成正比，由于土中水运行缓慢，动能部分忽 略不计。势能部分是影响水的状态和运动的主要因素，其大小则决定于土中水所 处位置及内部条件。因此，土中水的能量就是指代土中水的势能，简称为土水势。 无论是在饱和土还是在非饱和土中，土水势的概念都是实用的。饱和土中水的渗 流、非饱和土中水分的运移都是水从高势能向低势能的流动。造成土中水运动的 动力因素有很多，如压力、重力作用、土与水表面张力作用，土中矿物元素离子 等对水分子的吸引力，水中离子浓度的变化等等。以上各势能代数和称为总势能。 可以用式子( 2 2 ) 表示，即 妒。妒譬+ 妒。+ 妒日+ 妒p + y j g ( 2 2 ) 式中，缈为总水势；妒。为重力势，是重力场对水的作用引起的，其大小取决于 其所处的位置，即参照面的选择；妒。为基质势，是有固体颗粒基质与水之间相 互作用引起的，其反映在土对水的吸收能力以及土颗粒表面和水之间一系列物理 化学反映上；妒。为溶质势，其为土中水与纯水之间的势能差，土中存在的各种 离子对水分子有吸引力：矽。为压力势，为静水压力引起的；妒。为荷载势，由外 在荷载或者土自重应力引起的。 在不同情况下的土水势内容不同，对于饱和土，以上个势能均存在。对于稳 定渗流问题，总土水势包括重力势和压力势。对于渗透固结问题，因地下水位以 下的饱和土体中妒。+ 妒。为不随时间而变化的常数，而由荷载活自重引起的荷载 势，在三维空间状态下和时间有关，固结计算就是计算荷载势的变化过程，当荷 载势为零时候，土体固结完成。但对于非饱和情况，当土体中饱和度降到一定程 度后，土中水过少，不存在静水压力和荷载应力影响作用，此时的总土水势由基 质势和重力势组成。 上面讲过的毛细水产生过程中的毛细吸力为负值。水与空气界面的内聚力 ( 表面张力) 则总是企图将液体表面积缩至最小，使弯液面变为水平面，这种由 弯液面产生的向上拉力称为毛细压力。如图2 2 在毛细管试验中，液体与管壁之 间引力合力t 等于水的表面张力o r ，假设t 与管壁夹角为口，则毛细压力p 为： p = 乃册c o s 0 = 勿矿仃c o s 0( 2 3 ) 式中：口一一水的表面张力( n m ) r 一一毛细管的半径( m ) 0 一一湿润角 毛细管嚣力分奄 犬气蔽 l i 一o 一- a d r 二一爱农篷i | 、 f 求压力 图2 2 毛细水上升图 毛细水柱的重力与弯液面表面张力向上的分力平衡，达到稳定状态，负吸力值与 上升毛细水柱重力相等，但方向相反。反映为负静水压力u 。，= 一p g h ，如图2 2 反映在静水压力图上为负压力区。土水之间相互作用中，土颗粒之间接触面 存在水，由于毛细张力作用使得土颗粒相互靠拢，在土粒接触面上就会产生一个 压力，称为毛细压力。在非饱和土中土体基质吸力即为毛细压力作用的结果。因 此，土体总的吸力跟毛细现象联系在一起的。如下图2 3 。基质吸力同毛细张力 作用方向相反，土中毛细水压可以达到很大程度。负孔隙水压使得土颗粒联系紧 密。 氐 ，一j u 誓 一 负 、i 丌 h m i “ 土体基质吸力 正 图2 3 基质吸力示意图 非饱和土路基在地下水位变化影响下，毛细现象的产生将对路基中土水分分布造 成一定影响。土体在不同含水率情况下的基质吸力大小和变化将对路基土体强度 产生影响。研究不同类型土的毛细水运移发展规律，有助于工程中的路基损坏的 修复及预防。 2 2 路基毛细势作用下水汽运移试验研究( 室内) 路基一般由颗粒级配不同的非饱和土经过压实而成，土中存在诸多空隙， 又因基质吸力的存在，为路基中红粘土毛细作用的形成提供了有利条件。长时间 的降雨、路边积水流人坡底、地下水位上升的侵润等使得路基土毛细产生的越来 越频繁。同时在不同土质路基中，由于压实效果、压实机理、土质类型、初始水 土边界条件差异使得毛细水迁移出现不同的发展规律。因此本论文结合湖南典型 红粘土路基的基本性状，进行红粘土柱毛细水上升试验，通过不同压实机理、不 同初始含水率、不同土颗粒成分对比情况下的对比试验，研究推导出红粘土路基 非饱和土水运移的一些发展机理。为工程实际提供一定参考。 本试验用土采用湖南省郴州至宁远高速公路中典型红粘土，试验进行前，先 进行土体物性指标测定试验。 2 2 1 物性指标测定 取实验土，过5 m m 筛，选取两种类型的红粘土；一种具有高红粘土含量土， 暂定名为5 号土。一种为含砂质次生红粘土，两者为湖南典型红粘土填料，暂定 名为4 号土。 2 2 1 1 颗粒分析试验 郴宁高速公路k 2 0 4 + 7 4 0 9 5 0 取土为含砂质次生粘土。颗粒分析方法采用 1 2 普通筛分法和激光粒度仪结合测定土颗粒分布曲线，如下图所示 连 翳 盎 岔 羽 蘸 宝 1e - 4i e - 3o 卫10 11 0 d o 土粒较径，m m 图2 44 号土颗粒分布曲线 l e - 4t e 3 0 0 10 1 土粒粒径，m m 图2 55 号土颗粒分布曲线 由图可以看出两种土c u 1 0 ，级配良好，4 号土粒组分布范围比较广，但c u 过大，级配连续性不好，这与其为含大量碎石有关。 2 2 1 2 液塑限及击实试验 参照公路土工试验规程，对4 、5 号土进行土工试验，得到其液塑限、比重、 最大干密度、最佳含水率指标，为下一步毛细水试验提供数据参考标准。两种土 各项物性指标列表如下2 2 。 表2 2 土样主要物性指标 土样名称液限w t 颦限w p塑性指数i p 比重g s 最佳含水率 最大干密度g c m 3 4 号