降雨条件下泡沫轻质土渗流特性研究

孙万民

（中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250300）

0 引言

中国道路网建设始于20世纪80年代，如今许多道路相继开始达到设计使用年限，由于交通量日益增大、路面损坏等原因，已经难以满足日益增长的区域交通需求。为适应日益增长的交通量，国内许多地区都不得不对现有道路进行改扩建升级[1]。泡沫轻质土是一种利用物理方法混合形成轻质流态的新型建筑材料，现场施工时可根据实际工况调整配合比、密度和强度等指标[2-4]。自我国引进和研究泡沫轻质土技术以来，已在许多工程中投入使用并取得良好效果，如在隧道工程、道路的改扩建等工程中都发挥着重要作用[5-6]。

许多学者对道路改扩建中泡沫轻质土路基的沉降变形与差异沉降问题开展了研究，李思清等[7]通过现场试验对泡沫轻质土路基变形进行长期监测，认为将泡沫轻质土应用于软基段的道路改扩建有较大的优越性；严琼等[8]采用有限差分法与离散元相结合的方法，对改扩建道路工程中泡沫轻质土路基和原路基的沉降变形进行模拟分析；杨春风等[9]基于有限元方法，分析泡沫轻质土用于拓宽路基时，不同填筑高度和拓宽宽度对路基基底沉降与应力的影响变化规律；尹紫红等[10]运用有限元软件，分析道路改扩建工程中气泡轻质土路基分层填筑对路基应力特性与沉降变形的影响。

由以上可知，目前针对泡沫轻质土在软基段道路改扩建工程中沉降变形的现场试验研究、细观分析以及宏观分析均具有丰富的成果，但对持续降雨条件下道路改扩建工程中泡沫轻质土层的水分渗流场的研究较少。鉴于此，本文依托福建省沙埕湾跨海公路通道工程，基于Richards方程，运用COMSOL Multiphysicis有限元软件对降雨条件下泡沫轻质土的渗流特性展开研究，为泡沫轻质土在道路改扩建工程中的应用提供理论依据。

1 计算原理及模型的建立

1.1 计算原理

本研究将降雨入渗过程简化为二维模型，故基于Richards方程将水分运动连续方程表示为：

式中：Kx、Ky——分别为材料在x和y方向上的渗透系数；

Q——边界流量。

1.2 研究区概化模型

本研究以福建省沙埕湾跨海公路通道工程为例建立有限元模型，采用泡沫轻质土作为路基填料扩建现有道路路基。通过简化处理后，有限元模型概况和尺寸如图1所示，模型尺寸高4.4m，长10m。路基层高3.4m，路基上方为0.7m厚的路面基层，泡沫轻质土路基右侧设置0.2m厚的悬臂式挡土墙。原路基土层与泡沫轻质土层新旧路基结合部采用台阶处理，可减小新旧路基的不均匀沉降。

图1 计算模型概况（单位：m）

1.3 计算初始与边界条件

本研究设置初始水位为-10m作为有限元模型的初始条件，路面部分采用降雨边界为入口边界，模型的两侧及底部均采用无流动边界，水头随初始水位的变化而变化，初始水位以下水头随深度的增加而增加，初始水位以上，水头随深度的增加而减小。

1.4 参数设置

原路基层土样参数源自研究区，其中，饱和体积含水量（θr）、残余体积含水量（θs）饱和导水率（ks）通过实验室实验测得。土水特征曲线通过滤纸法测得，并采用Brooks-Corey模型进行描述（通过Matlab进行拟合，进而获得拟合参数α、n、m）。其余各土层参数相关文献，各土层水分参数如表1所示。

表1 土层水分参数

2 泡沫轻质土渗流特性分析

2.1 降雨强度的影响

根据降雨等级划分标准，本文选取6mm/d、18mm/d、40mm/d、80mm/d和100mm/d分别作为小型雨、中型雨、大型雨、暴雨和大暴雨的代表雨强，通过有限元软件分析降雨条件下不同雨强对道路改扩建工程中泡沫轻质土层渗流的影响规律。

由计算结果可知，当降雨时长相同时，随着雨强的增大，泡沫轻质土层渗流场的入渗深度越大。设置降雨时长为200h，当雨强为6mm/d或18mm/d时，雨水入渗速度缓慢，降雨入渗深度均小于0.7m，由此可知小型雨和中型雨对泡沫轻质土层水分渗流场影响较小；当雨强为40mm/d时，降雨入渗深度大于0.7m，可见大型雨在降雨200h才开始对泡沫轻质土层水分渗流场产生影响。当雨强分别为40mm/d、80mm/d和100mm/d时，降雨入渗深度分别约为1.1m、2.7m和3.3m，当雨强由大型雨增加至暴雨时，泡沫轻质土层的降雨入渗深度显著增加。

2.2 降雨时长的影响

分析降雨条件下不同降雨时长对道路改扩建工程中泡沫轻质土层渗流的影响规律。由计算结果可知，当降雨强度相同时，随着降雨时长的增加，泡沫轻质土层水分渗流场的入渗深度也随之增加，约从第65h时降雨开始对泡沫轻质土层的水分渗流场产生影响。当降雨时长分别为100h、150h、200h时，泡沫轻质土层水分渗流场中降雨入渗深度分别约为0.85m、1.95m和2.65m，随着降雨时长的增加，入渗深度分别增加了1.1m和0.7m。由此可知，降雨入渗深度随着降雨时长的增加而增加，但降雨入渗深度增加的速度随着降雨时长的增加而减小，最终降雨入渗深度随着时长的增加逐渐趋于稳定。

2.3 渗透系数的影响

泡沫轻质土的渗透随着配合比的变化而改变，影响着降雨过程中泡沫轻质土层的水分渗流场的变化，因此，将雨强、降雨时长等其它条件设置为一个定值，分别取1.0×10-7m·s-1、5.0×10-7m·s-1、1.0×10-6m·s-1、1.5×10-6m·s-1以及2.0×10-6m·s-1作为泡沫轻质土的渗透系数进行计算，分析降雨条件下不同泡沫轻质土渗透系数对道路改扩建工程中泡沫轻质土层渗流的影响规律。不同渗透系数下泡沫轻质土的体积含水率云图如图2所示。

图2 不同渗透系数下路基土体积含水率云图

由图2可知，泡沫轻质土层水分渗流场的降雨入渗速度随着渗透系数的增加而增加。此外，泡沫轻质土渗透系数由1.0×10-7m·s-1逐渐增加至2.0×10-6m·s-1时，降雨入渗深度分别增加了0.65m、0.25m、0.18m和0.16m。由此可知，随着渗透系数的增加，渗流场中入渗深度增加的速度呈现减小的趋势，且随着泡沫轻质土渗透系数的增加降雨入渗的深度将趋于一个稳定值。由此可为实际工程中合理的设计和应用泡沫轻质土提供更科学的依据。

3 结束语

本文利用COMSOL Multiphysicis有限元软件，通过对Richards方程采用入口边界模拟降雨，进而对降雨条件下泡沫轻质土的渗流特性展开研究，得出如下结论：

（1）当降雨时长相同时，随着降雨强度的增大渗流场的入渗深度随之增加。其中小型雨或中型雨情况下降雨入渗速度缓慢，降雨200h时入渗深度均未达到泡沫轻质土层，当雨强由大雨增加至暴雨时，降雨入渗深度显著增加。

（2）当降雨强度相同时，渗流场中入渗深度随着降雨时长的增加而增加，但入渗深度的增加速度随时长的增加而减小，最终入渗深度随时长的增加逐渐趋于稳定。

（3）当降雨强度和时长相同时，随着泡沫轻质土渗透系数的增加，入渗深度的增加速度呈减小的趋势，且随着泡沫轻质土渗透系数的增加入渗深度趋于稳定。