（道路与铁道工程专业论文）路面结构在降雨条件下的非饱和渗流分析及排水性能评估.pdf

硕十学位论文摘要 摘要 国内外对高速公路路面损害调查研究和路面使用经验表明，进入 路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的首要原因。本文在参考 国内外研究资料的基础上，结合常吉高速公路试验路段路面结构形式 及排水设计方案，通过理论分析、试验研究和数值模拟的方法，对高 速公路路面结构在降雨条件下的非饱和入渗问题进行分析研究，主要 开展了以下几方面的工作： ( 1 ) 介绍了目前的评估路面结构内部排水性能的标准及路面结 构内部排水设计方法。介绍了我国路面结构内部排水系统设置条件、 设置要求以及排水设施方案； ( 2 ) 介绍了非饱和多孔介质的基本特性和非饱和渗流的控制方 程，给出了降雨条件下非饱和渗流定解条件； ( 3 ) 采用渗流有限元软件s e e p w 对高速公路路面结构进行降 雨条件下的非饱和渗流数值模拟，分析降雨期间和雨停后排水阶段各 路面结构层的非饱和入渗规律。通过绘制各层体积含水量随时间变化 曲线，采用a a s h t o 的评价指标对比分析设与不设级配碎石排水 层、不同饱和渗透系数排水层材料、初始地下水位位置、不同面层材 料以及表面裂缝对路面结构排水效果的影响，评估各种形式路面结构 排水性能； ( 4 ) 对中央分隔带进行现场降雨试验，然后采用有限元软件 s e e p w 对上述中央分隔带降雨试验进行数值模拟，与试验对比分析 中央分隔带填土的雨水入渗规律及排水设施的排水能力和效果。利用 s e e p w 软件对中央分隔带降雨入渗进行模拟，通过绘制各层体积含 水量随时间变化曲线，分析降雨强度、降雨历时以及填土类型对分隔 带降雨入渗的影响。 关键词路面结构，非饱和渗流，雨水入渗规律，排水性能评估，数值 模拟 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt oal o to fi n v e s t i g a t i o n so nh i g h w a yp a v e m e n ts e r v i c e c o n d i t i o n ，i n a d e q u a t e s u b s u r f a c e d r a i n a g e o fp a v e m e n th a sb e e n i d e n t i f i e da sa p r i m a r yc a u s eo fu n s a t i s f a c t o r yp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d p r e m a t u r ef a i l u r e s b a s i n go nt h er e s e a r c hi n f o r m a t i o n sa th o m ea n d a b r a o d ，c o m b i n i n gt h ep a v e m e n tt y p e sa n dp a v e m e n td r a i n a g ed e s i g no n t h et e s ts e c t i o no fc h a n g d e j i s h o uh i g h w a y ，s o m ea n a l y s e sa r ed o n eo n t h eu n s a t u r a t e ds e e p a g ei np a v e m e n ts u b s u r f a c eu n d e rr a i n f a l lc o n d i t i o n , b yt h em e a n so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i n - s u i tt e s t i n ga n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h er e s e a r c hw o r ko ft h ep a p e ri n v o l v e ss e v e r a la s p e c t sa s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ea c t u r a lc r i c e r i ao ft oe v a l u a t et h ee f f e c t i v e n e s s o ft h e p a v e m e n ts u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e ma n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e p a v e m e n ts u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e i n t e r n a l c o n d i t i o n ，r e q u e s ta n df o r ma b o a ti n t e r c a l a t et h ep a v e m e n ts u b s u r f a c e d r a i n a g es y s t e ma r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co fu n s a t u r a t e dp o r o u sm e d i aa n dt h e g o v e r i n ge q u a t i o no fu n s a t u r a t e ds e e p a g ea r ei n t r o d u c e d t h eb o u n d a r y c o n d i t i o n so fu n s a t u r a t e ds e e p a g eu n d e rr a i n f a l lc o n d i t i o na r ea t t a i n e d ( 3 ) b a s e do nu n s a t u r a t e ds e e p a g et h e o r y ，af i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e n a m e ds e e p wi su s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t e du n s a t u r a t e dp a v e m e n t s e e p a g eu n d e r r a i n f a l l c o n d i t i o n ，a n da n a l y s i s t h eo r d e r l i n e s so f i n f i l t r a t i o ni na n yu n s a t u r a t e dr o a ds t r u c t u r e s v o l u m e r t r i cw a t e rc o n t e n t c u r v e sa r ep l o t t e da n dt h et i m eo fd r a w5 0 w a t e r ( t 5 0 ) a r ea c c o u n t e dt o a n a l y z es u b s u r f a c ed r a i n a g ep e r f o r m a c ew i t hd r a i n a g eb a s el a y e ro rn o t ， d i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yo fd r a i n a g eb a s el a y e r ，d i f f e r e n tw a t e rt a b l e s ， d i f f e r e n ts u r f a c el a y e rm a t e r i a l sa n dh a v ec r a c k so np a v e m e n ts u r f a c eo r n o t ( 4 ) s i t et e s t e do ni n f i l t r a t i o no fm e d i u md i v i d e ru n d e rr a i n f a l l c i r c u m s t a n c e b a s e do nu n s a t u r a t e ds o i ls e e p a g et h e o r y ，af i n i t ee l e m e n t s o f t w a r en a m e ds e e p wi su s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t e du n s a t u r a t e d m e d i u md i v i d e ri n f i l t r a t i o n ，t h e na n a l y z e dd r a i n a g ep e r f o r m a n c ea n dt h e n 硕十学位论文a b s t r a c t o r d e r l i n e s so fr a i n w a t e ri n f i l t r a t i o ni nm e d i u md i v i d e rs o i lc o m p a r i n g w i t hs i t et e s t t h ei n f i l t r a t i o no f h i g h w a ym e d i u md i v i d e ri ss t u d i e du s i n g f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es e e p wb a s e do nu n s a t u r a t e ds o i ls e e p a g et h e o r y v a r i a n ts i t u a t i o n sw i t hd i f f e r e n tr a i n f a l lf l u x ，r a i n f a l ld u r a t i o n ，a n ds o i l t y p e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d k e yw o r d sp a v e m e n t ，u n s a t u r a t e d i n f i l t r a t i o n ，o r d e r l i n e s so f r a i n w a t e ri n f i l t r a t i o n ，e v a l u a t i o no fd r a i n a g ep e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a l s i m u l a t e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：雠日期：理丑年月聋日 | 、 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：年上月翌日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 水可以通过裂缝、接缝、路面表面和路肩渗入路面结构，或是由高水位地下 水、截断的含水层和当地泉水进入路面结构。路面结构中滞留的水产生有害影响 可归纳如下【i 】： ( 1 ) 使无粘结粒状材料和地基土的强度降低。路基土的强度和模量都随着 含水量的增大而降低，以及随着含水量的增大导致车辙和塑性应变破坏： ( 2 ) 使混凝土路面产生唧泥、随之出现错台、开裂和整个路肩破坏； ( 3 ) 由于移动车辆产生的高动水压力，也会引起柔性路面基层的细颗粒产 生唧泥，结果失去支承； ( 4 ) 在冰冻深度大于路面厚度的北方地区，高地下水位会造成冻胀，并在 冻融期间降低承载能力： ( 5 ) 水使冻胀土产生不均匀冻胀； ( 6 ) 与水经常接触将使沥青混合料剥落，影响混凝土耐久性和产生龟裂。 在已通车的我国高速公路中，半刚性基层沥青路面约占7 5 ，水泥混凝土 路面约占2 0 ，刚性基层沥青路面约占3 。调查发现使用一年以上的高速公路， 不管是北方半干旱地区，还是南方潮湿多雨地区，也不管是采用半刚性路面、刚 性路面还是刚性组合式路面，都产生了不同程度的水损坏( 降水透入路面的结构 层后使路面产生的早期破坏现象) 。水破坏来得快，性质较严重，是路基路面的 “大敌 【2 l 1 1 1 路面结构降雨渗流问题的引出及其机理研究 近年来，我国公路建设发展迅速，公路交通量大、车辆轴载重、车速高，对 路基路面的强度和稳定性都提出了较高的要求。但是，现有的路基路面排水系统 往往只重视把地表水排到公路路界以外，而不重视排除由于降雨入渗引起的路面 结构内部滞水，在没有设置有效的路面结构内部排水系统的情况下，这种内部滞 水的危害性相当大，是导致我国一部分公路路面早期损坏的重要原因之一【3 j 【4 】。 那么，为何我国公路会存在如此多的水损害现象呢? 传统观念认为沥青混凝 土是密不透水的，然而实践证明沥青混凝土并不是不透水的，甚至有的是强透水 1 5 j 。降落在路面上的雨水，大部分以路面径流的方式通过路表面的横向和纵向坡 度流向路肩和路基c f t 4 j ，而总有相当部分雨水会沿路面接缝和裂缝、路面混合料 的空隙、路面和路肩的接缝以及无铺面的路肩渗入路面结构内。b r o w n 6 1 研究认 硕士学位论文第一章绪论 为路面沥青混合料在孔隙率小于8 时，沥青层中的水以毛细水的形式存在，即 认为混合料密实不透水。但f d o t ( f l o r i d ad e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，佛罗里 达交通厅) 一份研究报告 7 1 指出粗粒式s u p e r p a v e ( s u p e rp e r f o r m a n c ea s p h a l t p a v e m e n t ，高性能沥青路面系统) 混合料在孔隙率小于8 时，混合料的渗水性 仍相当可观。 一般情况下，进入路面结构的自由水向外渗流的速度很慢，需要数周或数月 才能慢慢排耐引，整个路面结构或者部分结构层( 面层或上面层) 便类似于被安 置在封闭的槽式“浴盆 内。被围封在路面结构内的这部分水分，会浸湿路面结 构各层材料和路基土，使其强度下降，变形增加，从而使路面结构的承载力降低。 对于水泥混凝土路面，当自由水透过水泥混凝土面板到达基层顶面并积滞在层间 结合处，高速的水流，冲刷混凝土面层以及其下的基层材料，导致出现唧浆，以 致掏空面板之下的基层材料，最后使水泥混凝土面板出现错台、板底脱空和断裂 等严重病害。 对于沥青混凝土路面，由于存在以下一些因素的影响【4 l 【8 】 目前技术方面的局限造成沥青的品质、抗剥落剂的品质等材料品质的差 异； 施工过程中难以避免的问题，如施工时集料离析、沥青混合料受到污染等； 施工技术员本身的素质以及施工队的施工水平； 施工方法及施工机械的选用等因素。 致使实际施工的沥青混凝土路面各层压实度和空隙率等指标达不到设计要求，造 成路面铺筑不均匀或空隙率过高等后果。我们对在建的常( 德) 吉( 首) 高速公 路各个面层沥青混凝土进行了现场渗水试验，发现测得的渗水系数离散性很大。 有些地方基本不透水，而有些地方的透水相当严重。这样路面结构各层就无法做 到不透水或透水系数很小，路面结构薄弱处也就成为雨水渗透的一个人为的通 道。在降雨过程中，雨水就会进入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中，在大量 快速行车的作用下，一次一次产生的动水压力( 孔隙水压力) ( 见图1 1 ) 1 8 1 1 9 】使 沥青从碎石表面剥落下来，局部沥青混凝土变成松散，碎石被车轮甩出，路面将 产生坑槽；若雨水进入并滞留在表面层和中面层，在大量快速行车荷载的作用下， 这两层内沥青混凝土中部碎石上的沥青剥落，导致表面产生网裂、形变下陷和向 外侧推挤，或产生坑槽；若雨水透过沥青面层( 两层式或三层式) 滞留在半刚性 基层顶面，在大量快速行车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表 层的细料，形成灰白色浆。灰浆被行车压唧到路表面。在灰浆数量大的情况下， 可能立即产生坑洞；在数量小的情况下，可使路面网裂或变形。某处产生网裂和 形变后，降水就更容易透入，并产生恶性循环，最终导致路面破坏。大量路面损 2 硕+ 学位论文第一章绪论 图卜1 动水压力理论计算图 坏状况调查以及路面使用经验表明，滞留在路面结构内的自由水，是造成或加速 路面损坏的主要原因。因此，有必要研究路面结构层内雨水入渗规律以及路面结 构内部排水性能，设置合理的路面内部排水系统，将这部分积滞水迅速排除到路 面和路基结构外，对改善路面的使用性能，提高其使用寿命，确保公路安全畅通 具有重要意义。 1 1 2 中央分隔带降雨渗流问题的引出 高速公路的中央分隔带，考虑到行车安全、环境保护和长期规划等要求，一 般都种植草皮、灌木等植物来进行绿化。降落在中央分隔带内的雨水、植物的灌 溉水以及超高路段上侧汇水，就会渗入到中央分隔带的内部。渗入水一方面在竖 直方向继续下渗，从而影响路基的湿度：另一方面向两侧的路面结构层渗流，导 致面层和基层内的湿度增大。过高湿度的路基和路面结构层在行车荷载作用下更 容易出现损坏。因此，有必要对中央分隔带的渗水规律进行系统的研究，为中央 分隔带内部排水及隔水措施的设计提供理论依据。 高速公路中央分隔带排水设计一般包括以下几部分1 4 1 ：( 1 ) 设计底坡不小 于0 3 的纵向梯形或矩形盲沟汇集中央分隔带雨水或渗水；( 2 ) 设计间距为 3 0 5 0 m 的横向排水管，将盲沟中的水排出路基以外；( 3 ) 设置沥青防渗层及土 工布防渗层，防止水从侧面向路基渗透。 从理论上讲这样的设计似乎是合理、可行的，但在实际施工过程中存在不少 问题。包括：( 1 ) 防渗层起不到防渗作用，因为开挖的边沟表面粗糙，沥青不 易粘结牢固，很难形成均匀、无破损的防渗层。土工布因有接缝，不能形成整体 而达到完全不透水的程度。因此，当盲沟积水时侧面仍将无法阻止水渗入路基。 ( 2 ) 由于施工质量不易控制，造成横向排水管标高误差或产生淤塞，从而使上 游横向排水管排水不畅，大量的水流向最底处，而最底处的横向排水管由于设计 3 硕十学位论文第一章绪论 时包裹无纺土工布或产生淤塞，使排水能力严重不足，从而导致下游中央分隔带 积水严重，有的下雨后几天中央分隔带仍有积水，使路基长时间浸泡，影响了路 基路面强度。( 3 ) 由于通信人孑l 的设置阻断了中央分隔带的排水。造成中央分 隔带积水或水渗入人孔。由此可见，中央分隔带的排水设计在实际施工中并不能 达到令人满意的效果，需要进一步完善i i l 1 3 1 。 国内目前对高速公路中央分隔带渗水规律的研究不是很多，一般都依据经验 设计排水措施，往往会导致排水设施的设置不当。本文第五章将利用有限元 s e e p w 对中央分隔带的渗水及中央分隔带排水渗沟的排水进行数值模拟，结合 中央分隔带现场降雨试验进行对比分析，得出分隔带填土的雨水入渗规律及排水 渗沟的排水性能，为设计合理的中央分隔带排水系统提供理论依据。 1 2 研究路面结构内部排水的意义 虽然大多数道路建设者已认识到水在路面损坏中的作用，然而，设计中只强 调改善路面质量和强度，忽视了排水技术的改进。大幅度地增加沥青面层的厚度， 可以减少动水压力及其破坏作用，这也是美国沥青学会( a s p h a l ti n s t i t u t e ) 强调 使用全厚式沥青路面的一个原因。由于全厚式沥青路面并不能完全阻止地下水和 地表水由裂缝进入路面结构，且全厚式路面的造价昂贵，对沥青等原材料的质量 要求也很高，无论从经济角度还是从技术角度来看，它都不适合我国的国情，我 国至今为止还未使用过类似结构。 一般来讲，采用双层密级配沥青混凝土面层可以减少雨水的渗入量，但由于 材料本身及施工方面的原因，新建路面通车初期的渗水量依然是较大的。在通车 几年后，车轮下的沥青混合料经车辆的反复补充压实，特别是沥青在石料间的重 新分布，其渗透系数很小。但在道路中央的双黄线附近路面，由于车辆很少驶过， 其渗透系数却普遍大于3 2 - - 4 3 5 m l m i n 。在路况调查中还发现，沥青面层的半刚 性基层反射裂缝的问题比较突出，裂缝处的渗水非常严重【6 2 1 。 显然，较有效的防止和减少路面结构水损坏的措施还是应该从结构本身入 手。设置路面排水层( 排水面层和排水基层) ，可以将积滞在路面结构内的水分迅 速有效地排除到路面和路基结构外，改善路面的使用性能。国内也修建了一些开 级配的透水性沥青混凝土面层公路，但由于我国环境保护、交通法规及许多规章 制度还不完善，车轮上、空气中以及车辆上洒落的尘土很快就将路面的开口孔隙 堵塞，加上养护能力又欠缺，因此多孔隙面层排水系统在我国似不适用，而应该 把排水层设置在面层以下，即设置路面内部排水系统。 美国明尼苏达州运输部进行的现场试验表明，排水基层的排水量占降雨量的 2 5 - 4 0 ，这也与f h w a 设计指南的说法一致。并且，透水性排水基层通常 4 硕士学位论文 第一章绪论 在降雨结束后两小时内排走9 5 以上的渗入水。 加州大学b e r k l c y 分校的研究表明：新的排水刚性路面的寿命至少比不排 水刚性路面长5 0 ，新的排水柔性路面平均寿命至少要比不排水柔性路面长3 3 ，并且认为这个预测还很保守【i4 1 。研究认为：在柔性路面上设置排水系统，使 用寿命最少可以延长4 年，具有有效边缘排水系统的普通水泥混凝土路面，其使 用寿命要比未设的提高5 0 左右【l 别。美国加利福尼亚州的研究表明：该州每年 建造的路面，采用内部排水设施的路面能节省1 1 0 0 万美元以上的养护维修费用。 因而，采用内部排水设施所增加的资金投入，可以很快从路面使用性能的提高、 使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。因此，设置路面内部排水系统， 将积滞在路面结构内的水分迅速排出到路面和路基结构以外，有利于改善路面的 使用性能，大大提高其使用寿命。c e d e r g r e n l l 6 1 通过对设置排水和不设置排水系 统的已建路面进行损坏状况调查。调查显示雨量丰富的地区，在水流和车载共同 作用下，不排水路面的破坏程度高于排水性能好的路面1 5 倍。 因而，美国a a s h t o ( a m e r i c o na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n d t r a n s p o r t a t i o no f f i c i a l s ，美国各州公路及运输公务员协会) 方法在路面结构设计 方法中，把路面结构的排水质量( 以排除渗入路面结构内水分所需的时间为标准) 作为一项设计因素考虑进来。 我国对路面排水系统的设计及研究起步较迟，“七五 攻关课题“高等级公 路路面、路基排水系统和设计子课题研究”对路表及路基排水设计作了较具体的 研究，但对于如何排除渗入路面结构内的水分并未提及。高速公路在通车初期或 通车几年后出现水损坏现象极其普遍和严重，所以在我国新建和改建的路面以及 其他高等级公路路面结构设置内部排水系统具有广阔的应用前景。 综上所述，降雨入渗对路面结构使用的不利影响是不容忽视的。因此，对路 面结构在降雨条件下的入渗特征、入渗率以及路面结构层的排水性能进行系统分 析研究，得出路面雨水的入渗规律，同时评价路面结构内部排水性能是很有意义 的，为我们设置路基路面防排水系统提供参考依据。 1 3 国内外本课题研究现状 1 3 1 国内研究现状 国内学者对路面结构降雨入渗试验、机理及路面结构内部排水所做的研究不 多，现行的有关路面设计规范对路面结构内部排水只作了一般性要求，设计往往 按经验进行，致使路面排水设计大同小异。从渗流理论的角度来分析路基路面防 排水，集中于边坡降雨失稳、路基土排水以及中央分隔带填土渗水研究上。 硕十学侮论文 第一章绪论 朱文彬等【1 7 l 采用有限单元法对降雨条件下土体滑坡进行了数值分析，将 d u n c a n c h a n g 模型引入饱和非饱和土的本构关系模型，建立了饱和非饱和土统 的非线性弹性模型，编制了饱和非饱和土的二维有限元程序。通过程序分析 了土坡在降雨发生后不同时期的应力分布、塑性区分布和边坡的安全系数。实例 分析表明，土坡在降雨前塑性区不存在或只在坡脚处非常小的范围内存在。随着 降雨时间的延续，塑性区的范围不断向土坡内部延伸扩展，稳定系数f s = l 等值 线也不断向土坡内部移动，f s l 的区域不断扩大，一直达到土坡上部地面，最 后形成潜在滑裂面而导致边坡失稳破坏。 任加国等1 1 8 1 采用m o d f l o w 软件对半填半挖类路基内部盲沟、渗沟及坡体内 排水孑l 进行了降雨入渗模拟。分析表明边坡排水孔不仅降低了坡体地下水位，而 且有效拦截坡体地下径流，对路基水位降低也起着重要作用。通过降水量、渗透 系数、入渗系数的敏感性分析显示，降水入渗系数对于排水效果的影响显著，入 渗系数越大排水压力越大。排水效果对介质渗透系数较为敏感，渗透性越强，排 水效果越显著。 赵鸿铎等【l9 j 根据非饱和土的渗流理论，采用有限元软件v s 2 d i 对不同宽度、 不同降雨强度、不同降雨历时下的公路中央分隔带入渗规律及对路基路面的影 响，进行系统的对比分析。结果表明不同宽度的中央分隔带具有比较接近的渗水 规律，但由于渗水量的不同，导致对路面结构的影响范围不一样。渗入水的横向 扩散对两侧路面结构的影响会超过3 m ，竖向渗透将影响2 - 4 m 范围内的路基土 湿度。建议对中央分隔带应该同时重视表面排水和内部隔、排水。 刘建华等【2 0 】从路基湿度对路基路面使用性能的影响出发，以非饱和土理论为 基础，采用渗流有限元法对几种具有代表性的公路渗沟进行分析，并与现行计算 方法所得结果进行比较，由于没有考虑非饱和土的渗流情况，现行方法高估了结 构层的排水性能。所提出的饱和非饱和渗流有限元法得到了工程实例的进一步 验证，指出现行公路排水设计方法主要应从设计理论基础、材料设计参数与计算 方法和手段三个方面进行改进。 吴宏伟等【2 l 】针对香港地区一种典型非饱和斜坡和香港地区降雨的特点，采用 s e e p w 软件模拟雨水入渗引起的土坡瞬态渗流场。分析降雨强度、降雨历时、 斜坡表面入渗率、土体饱和渗透系数、渗透性各向异性及阻水层的埋深与厚度比 这些参数对瞬态渗流场的影响发现，雨水入渗引起非饱和土中基质吸力丧失或减 小是导致土坡失稳的主要机理。在降雨历时相同的条件下，降雨强度愈大，斜坡 安全因数降低幅度愈大。斜坡表面的防渗保护层可使被其覆盖的非饱和土的负孔 隙水压力分布基本上不受降雨的影响。各向异性渗透系数比是一个敏感的参数。 该比值愈高，降雨前初始浸润线位置亦愈高，雨水入渗对斜坡稳定性的不利影响 6 硕十学位论文 第一章绪论 亦愈大。 赵江【2 2 l 采用s e e p w 软件对十九种不同的路基路面防排水方案( 其中填方 路基模型9 个，挖方路基模型5 个，半填半挖路基模型5 个) 在四种不同降雨强 度以及不同历时( 降雨期间和降雨停止后) 条件下的渗流场分布规律进行了计算 和比较分析。结论指出当降雨强度比较小时，路面结构层中的压力水头是随着降 雨强度的增大而增大，在路肩和路面结构层下方均为相同的强透水填料的情况 下，路面结构层的横向渗流要比路面结构层渗入路床的竖向渗流量大很多。建议 在路面结构层中设置渗沟，以有效消散路面和路基水。 刘明1 2 3 】采用s e e p w 软件对典型的二级公路断面进行路面结构非饱和渗流 模拟，分析了结构层的入渗规律；对中央分隔带内粉质粘土与粉质砂土在不同雨 型条件下进行降雨入渗模拟，并进行了中央分隔带渗沟的排水性能研究。 1 3 2 国外研究现状 目前，美国、英国、日本和德国等发达国家在路面排水设计方面积累了大量 经验，对路基路面综合排水设计的必要性和重要性有了明确统一的认识。路面结 构内部排水系统已经成为一项常规的措施得到广泛应用。随着计算机的发展，近 年来使用计算机模拟分析路基路面结构内部排水特性的研究工作逐渐增多。 a l o n s o 等【2 4 】进行了土坡二维非饱和渗流和极限平衡法的联合分析，渗流分 析中采用了考虑空气压力变化的耦合型控制方程。考虑的影响因素包括土的类 型、降雨历时、降雨强度、土水特征曲线的形状和土的渗透系数。主要研究结论 为：安全因数变化所需的时间与土的渗透系数成反比，且饱和渗透系数 k w 1 0 7 m s 时，降雨期间看不出安全因数明显下降；对于土水特征曲线形状比 较光滑( 亦即级配较好) 的土，安全因数下降所需延迟时间较为显著；高降雨强 度和低渗透性的参数组合可导致降雨后安全因数的降低。 a r i z a 3 3 】基于非饱和土理论，采用s e e p w 软件对明尼苏达州三条公路进行 非饱和渗流模拟。通过s e e p w 计算出断面的初始地下水位，修正由明尼苏达州 公路局提供的土水特征曲线的进气值、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。对非饱和土的各个参数进行敏感性分析得出，土 水特征曲线进气值、斜率、初始地下水位、雨型等输入参数对公路断面渗流场有 很大影响。结论指出，s e e p w 能有效模拟多层路面结构的非饱和排水。比较了 结构层的饱和与非饱和排水的差异，基于饱和流的排水时间大大小于实际排水时 间，建议将非饱和渗流理论引入公路排水设计中。 m a h b o u b 2 5 2 6 采用s e e p w 对水泥混凝土沥青加铺层路面结构进行稳态渗 流分析。各层的渗透系数设定为大、中、小三个等级，结合边缘排水系统，计算 7 硕士学位论文第一章绪论 出结构层内的排水路径和流量，结果指出沥青处治基层与密级配沥青混凝土面层 渗透系数过大是导致雨水入渗路面结构层的原因。在对破碎并稳固的混凝土层 ( b & s j r c p ) 进行稳态流模拟研究时发现，破碎并稳固的混凝土层与排水基层 的排水性能接近。 s t o r m o n t 【27 j 基于非饱和土理论，采用v s 2 d h i 软件对典型的路面结构进行渗 流分析，研究表明路面结构层降雨入渗在大部分情况下为非饱和渗流。计算假定 面层密封不透水( 不考虑面层材料特性) ，雨水通过路肩接缝和路面裂缝渗入到 路面结构层中，考虑设置地下排水系统和边缘排水系统，结果指出基于排水基层 的饱和渗透系数的排水设计不可靠，路肩的裂缝处于边缘排水沟顶面对其排水性 能影响很大。排水沟的回填料的材料特性，基层的材料特性，裂缝( 包括道路中 心裂缝和边缘裂缝) 的位置和宽度，降雨类型以及初始含水量等输入参数对雨水 入渗量影响较大。建议排水基层设计应基于非饱和流理论，边缘排水沟回填料应 与排水基层水力特性接近。 综上所述，虽然有国内外学者对路面结构入渗规律以及内部排水性能评估使 用有限元进行数值模拟，有些也考虑了非饱和渗流，但很少有相应的现场试验数 据进行验证的。从非饱和渗流理论出发数值模拟路面结构层渗流规律及排水性能 的研究工作还需要进一步的深入，其中研究的难点是非饱和路面结构层中的含水 量因降雨而发生的变化情况。只要求得了非饱和路面结构层含水量分布，就能有 效地得出路面结构降雨入渗规律及评估路面结构层的排水性能。 1 4 本文主要研究内容及方法 本文在参考国内外研究资料的基础上，结合常吉高速公路试验路段路面结构 形式及排水设计方案，根据现场测得的各面层渗水系数及中央分隔带现场降雨试 验数据和美国a a s h t o 设计指南中的评估路面结构排水性能方法，通过理论分 析、试验研究和数值模拟的方法，对高速公路路面结构在降雨条件下的非饱和入 渗问题进行分析研究。所做的工作主要有： ( 1 ) 介绍目前的评估路面结构内部排水性能的标准及路面结构内部排水设 计方法。a a s h t o 设计指南中以路面结构排出入渗雨水的5 0 所需时间k 作为 评价路面结构排水性能的指标，将排水性能分为优、良、中、差和很差五个等级。 介绍我国路面结构内部排水系统设置条件、要求以及排水设施方案。 ( 2 ) b i r g i s s o n t 3 4 】指出只有将非饱和土渗流理论引入路面排水设计中，排水 设施的使用性能才能得到有效评估。本文在第三章介绍以土壤为代表的多孔介质 的非饱和特性，介绍非饱和渗流的控制方程和考虑降雨入渗非饱和渗流定解条 件。 8 硕十学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 通过对常吉高速公路试验段各面层进行现场渗水试验，测得各面层材 料的渗水系数，为路面结构降雨入渗数值模拟提供参数。采用渗流有限元软件 s e e p w 对高速公路典型路面结构进行降雨条件下的非饱和渗流模拟，分析降雨 期间和雨停后排水阶段各路面结构层的降雨入渗规律。通过绘制各层体积含水量 随时间变化曲线，采用a a s h t o 的评价指标f ，。对比分析设与不设碎石排水层、 不同饱和渗透系数排水层材料、初始地下水位位置、不同面层材料以及表面裂缝 对路面结构排水效果的影响，评估各种形式路面结构排水性能。 ( 4 ) 通过现场试验对降雨情况下水沿中央分隔带填土中的入渗特征、渗入 量等进行试验，分析得出滞留中央分隔带的水量，水通过中央分隔带的排水设施 排出的水量以及排水时间，衡量排水设施的排水能力和效果。采用有限元软件 s e e p w 对上述中央分隔带降雨试验进行数值模拟，与试验对比分析中央分隔带 填土的雨水入渗规律及排水设施的排水能力和效果。利用s e e p w 软件对中央分 隔带降雨入渗进行模拟，通过绘制不同深度填土体积含水量随时间变化曲线，分 析降雨强度、降雨历时与回填土类型对分隔带降雨入渗的影响。 9 硕十学位论文 第二章路面结构内部排水系统概述 第二章路面结构内部排水系统概述 2 1 目前的路面结构内部排水设计方法 2 1 1 排水性能评估 对排水层有两个设计要求。第一，稳态流量必须大于进水率；第二，非稳态 流量必须使水在每一次降水过程之后能够迅速排除。 ( 1 ) 稳态流量：图2 1 所示为排水层的尺寸。排水层的稳态流量可用下式 计算： g = k h ( s + 争 ( 2 1 ) 式中，g 为排水层的排水流量，k 为排水层的渗透系数，s 为排水层的坡度， 日为排水层的厚度，三为排水层的长度。式( 2 1 ) 表示排水由两项组成。第一 项由水力坡度s 通过截面日的排水量。第二项为s = 0 时，水流由排水层顶部流 至排水层底部，由水力坡度h l 通过平均水流面积h 2 的排水量。 l 图2 1 排水层的尺寸 ( 2 ) 非稳态流量：非稳态流量用排水程度来定义，它是雨停后排除的水的体积 与排水层总蓄水能力的比值。c a s a g r a n d e 和s h a n n o n 指出，排水程度5 0 的时间 可用下式计算： - ： 丝生( 2 - 2 ) i t s o 一2 k ( h + 脱) 式中，。为排出5 0 的时间，为有效孔隙率，它是可排除水所占的孔隙率。 对于开级配材料，所有水均可排除，因此有效孔隙率与总孔隙率相同。 但是，本文作者认为式( 2 2 ) 存在缺陷，因为非稳态渗流中排水层渗透系 l o 硕十学位论文 第二章路面结构内部排水系统概述 数k 是个变量，是体积含水量的函数，而在排水阶段排水层体积含水量由于排水 而逐渐减小的。由于k 的取值问题，计算出的，5 0 是不精确的。本文作者建议利用 排水层的体积含水量的改变来定义排水程度。雨停后，排水层排出入渗雨水的 5 0 所需时间可由下式计算： = ，l t o ( 2 3 ) 式中b 为雨停时刻；，l 为排水层体积含水量为堡喜鱼对应时刻，岛为初始 体积含水量，免为最大体积含水量。雨停后排水阶段，排水层材料各时刻的体 积含水量很容易测得，且该表达式计算简单。本文在分析中所涉及的均由式 ( 2 3 ) 计算得出。 c a s a g r a n d e 和s h a n n o n 将式( 2 - 2 ) 用于设计基层。他们建议饱和基层排水 5 0 的时间不大于l o d 。这一准则对现代重交通公路肯定不合适。u s a c e ( m u n i t e ds t a t e sa r m y c o r p so f e n g i n e e r s ，美国陆军工程部) 推荐1 0 天为排出机场路 面中的水分。b a r k s d a l e 和h i c k s 建议2 - 6 小时排出高速公路中的水分。a a s h t o ( 1 9 8 6 ) 设计指南将排水质量划分为成优、良、中、差和很差五个等级，见表 2 1 f 2 羽。 表2 - 1 排抽陛能等级( a a s h t o ，1 9 9 3 ) 排水性能辛| 水时间( 帛 出5 0 ) 优2 小时 良2 天 中1 周 差1 月 很差不排水 2 1