GCL用于路基水分场调控可行性及铺设位置优化分析

刘志彬,王宇婷,罗婷倚,唐亚森,谢世平

(1.东南大学 交通学院,江苏 南京 211189;2.东南大学 道路交通工程国家级实验教学示范中心,江苏 南京 211189;3.广西北投公路建设投资集团有限公司,广西 南宁 530028;4.天津中联格林科技发展有限公司,天津 301617)

0 引 言

水分是影响路基强度和稳定性的重要因素,许多道路工程病害的发生都与路基土中水分的富集有密切关系[1]。降雨会改变施工或服役过程中路基土的含水量,从而影响路基土水分场分布[2]。我国北方地区存在季节性冻土,路基的周期性冻结与融化成为降低路基强度、影响路基使用性能并减少路基使用寿命的主要因素[3]。针对路基冻害,传统的处治方法主要有换填、保温、化学改良等[4-5]。换填法易于施工,但由于其耗资与换土深度密切相关,因此大范围冻土换填成本较高,而由于难以获得大量合适的换填土料,所以不适合偏远地区的路基换填;保温法使用的保温材料易燃且运输成本较高;化学改良法的原理是采用固化剂或抗水性能好的药剂与土壤混合后通过一系列的物理化学反应来改善土的工程性质,该方法受施工工艺的限制,因此仅适用于特定地区的特定土。

土工复合膨润土垫(geosynthetic clay liner,GCL)是一种在环境岩土领域中应用较广的新型防渗材料[6-7]。GCL中间层是膨润土,两边层是土工合成材料,通过针刺、缝合或粘贴最终形成一个复合整体[8]。GCL在各种条件下都可以保持很低的渗透系数,并具有较好的自修复能力[9-10]。良好的隔水性能使得GCL可有效减少路基土中水分的下渗和毛细水的上升现象。

单心雷[11]试验研究了三维土工网对路基边坡的防护效果,发现三维土工网能削弱降雨强度的影响,有效提高边坡稳定性和抗冲蚀能力;黄俊杰等[12]通过室内1∶1模型试验对复合土工膜封闭层隔水防渗效果进行了研究,结果表明复合土工膜可以有效阻止地表水下渗,且土工膜的耐久性较好;刘毓氚等[13]提出了S型复合土工材料排水系统,通过室内模型试验和数值模拟研究了土工织物参数变化对系统排水能力的影响,证明土工织物的厚度对系统排水影响可以忽略不计;傅贤雷等[14]以4种赤泥渗滤液为渗透液,研究了GCL渗透系数变化规律,评价了预水化作用对GCL渗透系数的影响;白梅等[15]在天津市静海县杨成庄乡村公路进行的GCL现场碾压试验表明,GCL即使在受到碾压发生一定的损伤之后仍满足抗渗要求;吕秋臻[16]模拟研究了不同铺设深度的复合土工膜对机场跑道路基变形的影响,研究得到最佳埋设深度。

笔者通过室内模型试验及数值模拟探讨了GCL用于路基水分场调控的可行性。首先,采用室内模型试验研究了GCL的隔水性能;然后,用有限元分析法模拟降水后在现场尺度下GCL对路基土水分场的调控规律;最后,基于比较分析,提出了GCL在路基填筑土中的优化铺设位置。

1 土柱模型试验

试验所用土工布为天津中联格林科技发展有限公司生产的颗粒型双层无纺布,其渗透系数为4.38×10-11m/s。双层无纺布之间夹厚薄均匀的膨润土,下方加有一层塑料扁丝编织土工布,如图1。上下无纺布克重均为270 g/m2,编织布克重为125 g/m2,样品克重5 967 g/m2。

图1 颗粒型双层无纺布GCL截面示意

1.1 GCL阻断毛细水试验

1.1.1 试验土样

试验所用土样为低液限黏土,其液限、塑限分别为31.8%、17.5%,塑性指数为14.3,最优含水率为15%,最大干密度为1.914 g/cm3。

1.1.2 试验仪器

试验采用内径为10 cm的有机玻璃筒,共有2节,每一节高度为50 cm,竖直方向沿筒壁每隔10 cm有一个直径1 cm的取样小孔并配有橡胶塞;上下节之间用法兰连接并用垫圈止水,如图2。

图2 GCL阻断毛细水试验土柱模型

1.1.3 试验步骤

1)控制试验土样初始含水率w0=12%,预先密封静置12 h。

2)根据JTG E 40—2007《公路土工试验规程》,将制备好的土样按照90%压实度装入有机玻璃筒中,每次装样高度5 cm,按照式(1)计算所需土的质量m(单位:g):

(1)

式中:D为有机玻璃筒内径,cm;h为每次装填土样高度,cm;Kd为压实度,%;ρd, max为土样的最大干密度,g/cm3;ω为土样含水率,%。

3)将称量好的土样装入玻璃筒中捣实,并保证每次填筑土柱高度为5 cm,直至土样装填至有机玻璃筒100 cm高度处。共制备3个土柱模型,其中2个在30 cm高度处铺设GCL。

4)将土柱模型筒放入水槽中,使土柱底部浸没水中并保证水槽内水面高度不变,以此来保障土柱内部毛细水上升过程的持续性和稳定性。

5)每隔1 h,分别从有机玻璃筒壁上不同高度小孔中取土样,并测其含水率w。若w=w0,说明毛细水尚未上升到此处;若w>w0,说明毛细水已上升至此高度处。

1.1.4 试验结果分析

绘制铺设或未铺设GCL土柱模型不同高度h处土体含水率w曲线,以及毛细水上升高度h′随浸水时间t变化曲线,如图3。由图3可见:

图3 铺设及未铺设GCL土柱中毛细水上升曲线

1)2组试验中,取样点的土体含水率w随土柱高度h的增大而降低〔图3(a)〕。未铺设GCL试验组,在h= 40～50 cm处,土体含水率发生了突变,h> 50 cm后,土体含水率基本稳定,约为12%,即毛细水上升的最高点在离地面40～50 cm之间。铺设GCL试验组,当GCL铺设在距离模型底部30 cm处时,在h= 30～40 cm处土体含水率发生了突变,h> 40 cm后土体含水率基本稳定,约为12%,即毛细水上升的最高点在离地面30～40 cm之间。

2)图3(b)中曲线的斜率即毛细水上升速率。铺设GCL土体中毛细水的上升速率明显低于无GCL土体的;经过约24 h浸水后,铺设GCL土体内水分场达到稳定,毛细水上升未超过GCL层(30 cm),而未铺设GCL土体毛细水上升最高达到43 cm,表明GCL在低液限黏土中起到较好的隔水作用。

1.2 降雨模拟试验

1.2.1 试验土样

试验所用土样为100目的砂土。

1.2.2 试验仪器

试验仪器包括:直径30 cm,上部开口、下部密封的不透水有机玻璃筒;FDR土壤水分温度传感器;MP406数据采集器;精度0.1 cm的刻度尺。

1.2.3 试验步骤

1)预先配制含水率为1%的砂土。根据干土质量和含水率计算得出所需水的质量,然后向容器中洒入所需质量的水,边洒水边搅拌。

2)分两层按90%的压实度将土样装入筒内。其间,由下至上分别在距土柱底部10、20 cm处埋设FDR土体水分温度传感器。最终填筑的试验土柱高度为23 cm。

3)共制备2个土柱模型,其中1个在距离土柱底部13 cm处铺设一层GCL,如图4。

图4 降雨模拟试验土柱模型(单位:cm)

4)用花洒向模型内土样均匀洒水1 h,以模拟降雨情况。根据北方地区特大暴雨降雨条件,取降雨强度p= 50 mm/h[17-18],试验圆柱筒横截面积S= 706.86 cm2,因此小时洒水量V=S×p/10 = 3 534.30 cm3/h。

5)每隔1 min读取一次 FDR数据,并换算出土体含水率w,直至含水率变化小于等于1%,结束试验。

1.2.4 试验结果分析

图5为土体含水率w随试验时间t变化曲线。

图5 土体w-lgt曲线

由图5可见:

1)在试验的最初40 min以内,铺设及未铺设GCL土柱模型下层土体的含水率基本保持稳定,约为2%;分别在100、50 min后,铺设、未铺设GCL土柱模型下层土体含水率开始增大,铺设GCL下层土体含水率缓慢上升而未铺设GCL下层土体含水率先迅速上升再逐渐下降,两者的最大含水率分别达到8%、18%,最终分别稳定在8%、14%。可见铺设GCL下层土体渗水相对较晚,渗水后土体最大含水率较低,表明GCL阻隔了土体内水分的下渗。

2)在试验的最初30～40 min内,铺设和未铺设GCL土柱模型上层土体含水率均以较快速率上升并达到峰值;在约100 min后铺设GCL上层土体含水率达到稳定状态,约为27%,而未铺设GCL上层土体在约300 min后其含水率才逐渐稳定,约为9%。可见,铺设GCL土柱模型上层土体含水率趋于平稳的时间早于未铺设GCL土柱模型的,表明铺设GCL可以阻隔水分下渗。

同时,测得试验前、后GCL内部膨润土的含水率分别为7.0%、50.2%,说明膨润土吸水膨胀,从而起到了良好的隔水作用。

2 GCL铺设位置优化

2.1 路基模型建立

2.1.1 参数设置

基于陈大路实际工程建立有限元计算模型,考虑到路基结构的对称性,笔者选用路基的一半进行建模。主要参数:路基顶面宽度为13.0 m,路堤高度为3.0 m,坡度为1∶1.5。模型研究范围:天然地面取至路基深度以下3.0 m,宽度取至路基坡脚外7.5 m。路基有限元计算几何模型如图6,由3个土层构成,土层厚度H、密度ρ、渗透系数k及含水率w等物理参数如表1。模拟过程将GCL定义为接触面材料,材料模型选择饱和、不饱和2种,分别根据体积含水量数据点函数和义渗透系数数据点函数拟合体积含水量与水压参数及水传导率与水压参数。选择平面四边形和三角形划分单元。

图6 路基有限元计算几何模型(单位:m)

路基土的土水特征用VG模型(2)[19]来描述:

(2)

式中:Se为土体饱和度;θw、θs、θr分别为土体体积含水量、饱和水含水量、剩余水含水量;hP为压力水头,m;α、n、m、l分别为曲线拟合参数,m=1-1/n[20]。

3个土层的VG模型参数见表2,GCL渗透系数为1×10-11m/s[21-23]。

表2 土层的VG模型参数

2.1.2 边界条件

选定降雨时间为10 d,模拟至降雨结束后50 d,模拟时间共计60 d。模型上边界设置降雨条件,降雨强度取40 mm/d,雨水入渗模式为垂直入渗。水分场左右边界取透水边界;定义地下水位距离天然地面3 m;取各个土层的天然含水量作为各土层水分场初始值。全局单元尺寸为0.3 m,共1 364个节点,1 297个单元。

2.2 数值模拟结果分析

实际工程中路面结构由面层、基层、底基层和功能层组成。面层具有低透水性能,基层和底基层具有足够的耐久性和水稳定性,在地下水位高、排水不良的路段须设置相应的排水结构或边缘排水系统以降低雨水渗入,避免路基土水分场升高,从而解决路基破坏问题。

笔者所建的模型没有设置路面结构层,降雨可向下直接入渗到路基内部,属于一种最不利工况,研究结果应用于实际工程中,安全系数会更高。

2.2.1 路基土孔隙水压分布

降雨2个月后,未铺设GCL路基土的孔隙水压分布如图7(a);铺设单层GCL路基土孔隙水压分布如图7(b)～(d);铺设双层GCL路基孔隙水压分布如图7(e)、(f)。各工况GCL均铺设于填土层中。

图7 未铺设GCL或在路基不同深度处铺设单层或双层GCL路基土孔隙水压分布

由图7可见:

1)在单层铺设时,GCL铺设位置不同,其调节土体内部水分场的作用也不同〔图7(a)～(d)〕:铺设在路面以下1.0 m处,调节效果最好;铺设在路面以下0.5 m处,调节效果较好;铺设在路面以下2.0 m处,调节效果不如前两者。

2)在双层铺设时,将GCL铺设于0.5 m + 1.0 m处与1.0 m + 2.0 m处〔图7(e)、(f)〕,GCL的调控效果相差不大,考虑到经济性,前者的铺设方式较好。

3)对比图7(b)、(e),显然GCL双层铺设工况控制水分场的效果更好,但若经济条件有限,GCL单层铺设在路面以下1.0 m处工况也可较好地调控土体水分场,保持路基强度。

2.2.2 体积含水量

工况1GCL单层铺设在路面以下1.0 m处。选择GCL单层铺设于路面以下1.0 m处的土体模型,分别取GCL上、下方0.3、0.6、0.9 m处的单元节点,测定土体体积含水量θw。体积含水量θw与模拟时间t的关系曲线如图8。

图8 距GCL不同距离处土体θw-t曲线

由图8可见:

1)GCL下方0.3、0.6、0.9 m 3个部位土体的体积含水量曲线变化趋势基本一致:t= 0～10 d时段,曲线呈现上升趋势;t= 11～20 d时段,体积含水量达到最高值;t= 21～60 d,曲线呈下降趋势。

2)比较而言,GCL下方0.3 m处土体的体积含水量增大或减小速度最大,大约在第20～25天体积含水量回落趋势最先达到稳定状态,且稳定后的含水量最低。可见,GCL对于其下方0.3 m 范围以内土体含水量的调控作用更明显。

3)GCL上方0.3、0.6、0.9 m 3个部位土体的体积含水量曲线总体变化趋势一致,且均比GCL下方3个部位土体体积含水量恢复快,从理论上验证了室内模型试验结果。

工况2未铺设GCL。对于未铺设GCL的路基土体,取与工况1中GCL下方 0.3 m处相同位置的单元进行上下层路基土含水量分析,结果如图9。

图9 未铺设GCL上、下层土体θw-t曲线

由图9可见:由于没有GCL的防渗阻挡作用,t= 0～10 d时段,上层土体的体积含水量上升速率比下层的快,最高含水率也高于下层的;t= 11～61 d时段,由于雨水的下渗,上层土体的体积含水量快速减小,而下层土体的体积含水量逐渐增大;最终稳定后,下层土体的体积含水量高于上层土体的,这从理论上验证了室内降雨-土柱模型试验结果,即GCL具有十分重要的防渗作用。

3 结 论

开展了颗粒型双层无纺布GCL阻断毛细水上升试验和降雨入渗土柱试验,对GCL应用于调控路基土水分场的可行性进行了研究;采用数值模拟法对GCL调控路基水分场的作用进行了研究,分析了GCL铺设层数与铺设位置对水分场调节的影响规律。研究得到如下主要结论:

1)无论是在低液限黏土还是在砂土中,颗粒型双层无纺布GCL均能发挥其优异的隔水性能,表现为对毛细水上升的阻断和对土体内水分下渗的阻隔。

2)GCL双层铺设于路基中的效果略好于单层铺设,而单层铺设施工难度及成本均较低,同时也满足路基强度。

3)GCL单层铺设的最佳位置为路面以下1.0 m处。GCL对路基土水分场的调节能力在0.3 m范围内最佳,鉴于GCL的撕裂与刺破强度较低,不适合将其铺设到离地表太近处。

4)模拟分析中假定GCL没有受到破坏,因而将其渗透系数取为常数,实际工程中须考虑其受工作环境及施工等因素影响而造成的结构损伤和渗透性变化。