0 引言

近年来，国内的高速公路频繁出现水毁破坏，给道路运营与行车安全造成严重影响[1].降雨入渗是水毁破坏的主要诱因，对路基的变形及稳定性影响比较明显[2].降雨入渗是一种非饱和渗流过程，其本质为土壤内空气被逐渐替换成入渗雨水的过程.非饱和土路基的渗流过程十分复杂，可分为水分垂直与侧向渗入土壤两种形式[3-4].目前，国内学者在降雨入渗对非饱和土路基影响方面进行了大量研究，但大多没有考虑水毁破坏对周边土体的影响.基于此，本文以某高速公路路基工程断面为算例，采用有限元软件Geodtudio中Seep/W模块建立路基二维渗透模型，针对路基压实不足情况下的非饱和土路基进行渗流分析.

1 饱和-非饱和土渗流原理

目前，关于非饱和土渗透系数的预测方法主要有直接法和间接法，其中直接法是由试验获取非饱和土渗透系数，不仅需控制好流量的精度，而且需耗费较多时力，故实际路基工程中不宜采用；间接法是依据土水特征曲线来预测非饱和土的渗透系数，主要分为试验拟合经验公式和模型统计(如Fredlund & Xing、VG模型等)2种方法，其中前者设置参数少且计算简便.

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据相关研究[5-6]表明，降雨强度、降雨持时和土壤种类是降雨入渗的重要影响因素.由降雨量与土壤允许入渗容量的关系可将渗流分为“降水模型”和“积水模型”，其中“降水模型”是降雨强度低于土壤允许入渗容量，故降雨强度决定了雨水在土壤内的渗透能力；而“积水模型”是降雨强度高于土壤允许入渗容量，其一部分降雨形成地表径流，另一部分降雨渗入路基导致饱和范围增加.由降雨持时可将渗流过程分为通量控制和剖面控制两个阶段，前者表层土的含水率随着雨水入渗逐渐增至饱和状态，此时降雨强度小于或等于土壤表层渗透能力；而后者上下土层的含水率因降雨入渗使得梯度降低，导致该阶段属于有压入渗，此时初始含水率、降雨条件以及地表径流决定土层的实际入渗量.

由文献[7]可知，渗流边界是由降雨强度与土壤表层入渗能力两者共同决定的，当前者大于后者时，取土壤表层入渗能力为渗透边界，即第一类边界条件；当前者较小时，渗透边界则取降雨强度，即转换为第二类边界条件.考虑到土壤表层的入渗能力具有随降雨入渗率变化而变化的特征，通过边界条件形式控制坡面流量，根据单元面流量可转换成各单位结点的入渗量，模拟出降雨入渗过程中各节点流量的动态变化曲线.

2 数值计算

2.1 工程算例及建立模型

依托某高速公路K25+160路基断面为工程算例.该高速公路路堤填土高度为1.65 m，路堤边坡为1∶1.5，地下水处于坡脚4.7 m以下，路基属于粘土路基，顶部宽度为26 m，不考虑边坡上的防护工程的影响.为了便于数值计算，模拟采用轴对称二维模型分析，地基模型尺寸选取为30 m×30 m，具体情况如图1所示.模拟采用有限元软件Geodtudio中SEEP/W模块建立路基二维渗透模型，模拟过程首先通过吸力试验计算出土体结构的土水特征曲线，并根据土体饱和-脱水后滞回性比较稳定的特点预估渗透系数，然后利用VG模型分别评估出渗透系数与基质吸力关系曲线以及填土与地基土的脱湿曲线，模拟降雨入渗过程中不同土体含水率的基质吸力与渗透特性变化规律.

由图3可以看出，随着深度的增加，不同降雨强度作用下的行车道沉降均逐渐呈减小趋势发展.通过对比有、无病害情形的行车道沉降可知，无病害情形下的行车道沉降变化较为缓和，而有病害情形下的行车道沉降在病害处出现明显突变，且突变程度随降雨强度的增加逐渐增大.降雨强度为16 mm/h时行车道沉降达到最大，其中有病害行车道沉降达3.4 mm，而无病害行车道沉降则为2.9 mm，表明同降雨强度条件下，无病害的最大沉降要小于有病害行车道沉降.综上所述，短时间内低降雨强度对运营平稳道路的沉降影响较小.

  

图1 路基二维渗透模型(单位：m)

由于本文研究对象为路基土的性状，因此将路面结构中的面层、基层及底基层简化为一层，同时进行厚度加权处理，弹性模量为950 MPa，泊松比为0.3，容重为24.6 kN·m-3[8].考虑到实际行车道存有压实不足的现象，模拟根据文献[9]将病害区域的参数值进行相应降低.选取压实度为95%和83.5%(病害区)的路堤，通过选取现场和室内试验，得到试验段土层参数如表1所示.

 

表1 土层参数

  

区域弹性模量E/MPa泊松比μ粘聚力c/kPa内摩擦角φ/°容重γ/(kN·m-3)饱和渗透系数k/(cm·s-1)路堤280．2729．336．519．53．2×10-7病害120．3518．827156．4×10-5地基土250．2922．431．617．85．7×10-6

2.2 初始条件与边界条件

初始分析步中，分别限制模型4个侧面水平方向的位移，同时限制模型底面x、y和z方向的位移.地下水位于堤趾以下4.7 m 处，模型高度30 m(不包含路基路面).模型建立时设置模型底部为坐标原点，因此，利用 Distribution 空间分布函数对地下水位以下的模型边界设置随深度变化的静水孔压边界，其他边界为不排水边界.

模拟计算的初始条件假定路面完全弹性，地层分界线与地下水位线水平.Mein R G和Larson C L[10]根据降雨强度q、土壤允许入渗的容量fq以及土壤饱和时的水力传导系数(即渗透系数)k，将复杂的降雨入渗过程分为3个过程：k>q，k<q<fq，fq<q.本文考虑k<q<fq情况，此时为流量边界，表示雨水全部入渗，fq随入渗深度的增加而变小，由于降雨强度还未达到土壤允许入渗的容量，因此入渗率较高.降雨入渗边界函数用降雨强度来表示，排除降雨时地面积水现象，整个模型的顶面均受到降雨的作用，认为雨水全部渗入土中.路面区域的降雨入渗边界取降雨强度q，路基坡面的降雨入渗边界取qcos33.7°.

利用MC模拟和近似取值这两种电子能谱取值方法，模拟相同条件下的SGEMP电磁场波形，对比分析电子能谱近似取值方法带来的偏差。SGEMP模拟选用3维全电磁粒子模拟PIC 程序UNIPIC[7-9]，该软件采用粒子共形的电子发射技术及电磁场共形推进算法[10-11]。

3 降雨入渗对非饱和土路基的影响分析

3.1 降雨强度

由图2可以看出，降雨强度越小高速公路路面沉降越小，当增大降雨强度，其路面沉降也随之逐渐增加.通过对比有、无病害情形的路面沉降可知，当降雨强度为0.4、1、2 mm/h(即降雨等级分别为小雨、中雨和大雨)时，无病害情况的路面沉降与有病害差别不大，表明此时路面沉降基本没有受到病害的影响；而当降雨强度增加至4、8、16 mm/h(即降雨等级为暴雨、大暴雨和特大暴雨)时，病害作用对路面沉降影响逐渐显露，其中降雨强度为8 mm/h时病害处的路面沉降受影响最为明显.

通过对不同降雨强度作用的行车道进行模拟分析，得出有、无病害情形的行车道沉降变化规律如图3所示.

通过对不同降雨强度作用的病害底部孔压进行渗透分析，得到有、无病害情形的孔压横向分布规律如图4所示.

 

表2 降雨强度模拟

  

降雨等级降雨强度/(mm/h)降雨持时/h降雨量/mm降雨强度标准/(mm/h)小雨0．40～124．8<5中雨10～12125～14．9大雨20～122415～29．9暴雨40～1248≥30大暴雨80～1296≥70特大暴雨160～12192≥140

  

图2 不同降雨强度的路面沉降变化规律

根据国家气象部门规定降雨等级，模拟拟定0.4 mm/h(小雨)、1 mm/h(中雨)、2 mm/h(大雨)、4 mm/h(暴雨)、8 mm/h(大暴雨)、16 mm/h(特大暴雨)6种不同降雨强度如表2所示，降雨持时设定为12 h，针对不同降雨强度的非饱和土路基进行渗透分析.

通过对不同降雨强度作用下的公路面层进行数值分析，得出有、无病害情形的路面沉降变化规律如图2所示.

本研究使用的问卷分为两部分：第一，教师基本资料。包括性别、年龄、学历、教龄、职称。第二，乡村教师教育信念问卷。包含5个维度：教育目的、学生、课程、教学、教师角色五个方面的信念，共计27题。问卷中的27题均采用李克特五点计分方式。问卷回收后，采用 SPSS17.0统计软件对调查数据进行统计分析。

  

图3 不同降雨强度的行车道沉降变化规律

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由图4可知，降雨强度越大，病害底部孔压随之越大，其中降雨强度为8、16 mm/h时，孔压的增幅最为明显；降雨强度为0.4、1、2 mm/h时，病害底部孔压均呈道路横向水平分布，对比有、无病害的孔压可知，孔压横向分布基本没有受到病害影响，其因为降雨量较少致使路基结构内水分无明显运移；降雨强度为4、8、16 mm/l时，病害处孔压达到最大，且向两侧路肩逐渐减小，这是由于边坡排水设施较好，致使雨水在入渗前得到及时排除.

  

图4 不同降雨强度的病害底部孔压横向分布规律

3.2 降雨持时

通过对不同降雨强度作用下的病害底部孔压进行渗透分析，得到的孔压与降雨持时两者的变化关系规律如图5所示.

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图5 病害底部孔压与降雨持时的变化关系

由图5可知，随着降雨持时的增长，不同降雨强度下病害底部孔压均逐渐增大，其中降雨持时前3 h内，孔压的增大幅度最为明显，且降雨强度越大孔压增幅越大，这是由于路基浅层土体的基质吸力在降雨持时初期比较大，该阶段的土壤吸水能力较强，因此病害底部孔压快速增大；而当降雨持时达3 h后，不同降雨强度的孔压均逐渐趋向缓和，其因为降雨持续进行，路基土体内渗入充足雨水，使得饱和度与孔压也逐渐增大，但由于上部土体基质吸力逐渐减小，使得土壤吸水能力被消弱，加之雨水垂直和侧向运移，造成病害底部孔压缓慢增大.

试验温度分别为室温20 ℃、40 ℃以及55 ℃。在每种温度条件下，分别秤取(270±1)g，3种润滑油加入到3个烧杯中，在每个烧杯上做好记号。用不锈钢丝将试样悬挂在支架上，保证试样完全浸没在油中，且试样之间及与杯壁间不接触，试样表面无气泡。试验时间按照国家标准GB/T 1690-2010的要求，选取24 h的整倍数168 h，在试验时间达到后将试样取出，将试样表面残留液体完全擦干，在规定时间内完成硬度(Hi)、体积(Vi)以及拉伸性能的测试，并将浸泡之后的O型密封圈放置待用。

4 结论

1) 非饱和土路基的路面沉降随着降雨强度增大逐渐增大，当降雨强度低于2 mm/h时，路基压实不足对路面沉降影响较小；而当降雨强度增大，路基压实不足对路面沉降影响逐渐显露.

2) 不同降雨强度作用下的行车道沉降均随着深度的增加逐渐减小；路基压实不足时行车道沉降变化较为明显，且随降雨强度的增加逐渐增大；短时间内低降雨强度对运营平稳道路的沉降影响较小.

3) 当降雨强度低于2 mm/h时，路基压实不足对孔压横向分布影响较小；当降雨强度高于2 mm/h时，路基压实不足对孔压横向分布影响较为明显，且孔压随降雨强度增大逐渐增大.

4) 随着降雨持时的增长，不同降雨强度下病害底部孔压均逐渐增大；降雨持时前3 h内的孔压的增大幅度最为明显，且降雨强度越大孔压增幅越大；当降雨持续进行，不同降雨强度的孔压均逐渐趋向缓和.

参考文献：

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[2] 周桂云,李同春.基于非饱和土固结理论的有限元强度折减法[J].岩土力学,2008,29(4):1 133-1 137.

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