李斌 黄启舒

摘要：公路路基是路面的基础，路基的强度及稳定性直接影响着路面的稳定，进而影响道路的提效能力。一般情况下路基稳定性的病害，诸如沉陷、冲刷、翻浆、坍塌等问题，均不同程度的与路基中的水分运移存在着直接的联系。因此，对于路基体内水分运移规律及其与影响因素的研究，为路基设计与施工提供理论依据和技术参考、预防和整治路基病害具有重要的意义。

关键字：自然条件;公路路基;路基水分

1.算法基础

1.1 控制方程

近似刚性多孔介质中水分运移的控制方程为：

1.2 初始及边界条件

1.3 非饱和土水特性模型

非饱和土水分运移控制模型参数，即式（1）中K（h）和D（θ），是非饱和土体中水分运移的重要参数，且随土体含水率的变化。本次计算采用的土水特征曲线的函数形式与的用于预测非饱和导水率的函数形式组合得到模型，见下式：

2.建立计算模型

以某填方路基断面作为建模对象，模型体高为47m，底宽148m。对整个研究区域进行三角形离散化，选取默认的光滑因子，将模拟区域离散成最优的不规则三角形单元，共得到6553个，见下图2所示。

2.1 介质参数

本次计算假定路基基础及路基填料材料分别为含砂粒黏质土和亚粘土，粒径分布及密度参数见下表1所示。模型中的材料区域按路基填方体和路基基底两部分来定义，见图3。

2.2 初始及边界条件

本次计算假定初始条件为：（1）路基填方体的初始条件为：最佳含水率17.3%（即相应体积含水率θ为28.5%）;（2）路基基底部分的初始条件为：体积含水率从28.5%过渡35.47%呈线性分布（由于考虑地下水的影响，由上至下过渡假定）。

本次计算的假定边界条件为：外部自然环境（包括日降雨量和日盘蒸发潜量），计算前统计某地一年内的降雨量和日盘蒸发潜量，近似每隔15天分别进行平均处理，结果见图4、图5所示。考虑到路面面层的渗透系数极小，将路基顶面部分假定为不透水边界，路堤边坡大气接触的地表部分为气候流量边界，地下部分采用自由渗透边界。

3.计算及结果分析

3.1 土体内水分运移规律的变化过程

本次计算模拟了该模型在一个周期的自然气象条件下，路基及路基基底体内水分含量分布及其运移规律。分析结果得出了不同时期模型土体内水分含量的等值线图，例如：图6表示为第270天时水分含量等值线。

由整个数值计算结果可以看出：

（1） 在周期边界条件下，土体内水分在路基与基础基底处，存在一个不连续的分割界面，基础的水分含量小于路基体。原因为：1、基础层材料颗粒结构中粘粒占到87%左右，基底层土粒间空隙的较路基层小，使水分更难进入;2、基础层初始含水率大于路基层，其相邻土粒表面的结合水膜相互交叠，阻碍了水分的向下运移。

（2） 在降水的边界条件下，路堤两侧逐渐出现圆弧状的渗透区域，路基边坡两侧护坡道周围表层土体含水率增大至饱和。

（3） 计算模型内水分在重力的作用下向下运移的同时又向上运移至地表排出。

（4） 根据计算结果，按照水分运移规律特征将模型分为3个区域，如上图7所示。在整个周期运移过程中，路基与基础的部分区域（3号区域）受自然气候边界条件影响较小。下图8为3号区域在整个计算周期内路基中心不同深度含水率的變化曲线，可见路基部分基本水分运移发生，而基础部分水分含量变化在2%以内，推测为水分在重力作用下的小幅向下运移。

基础部分（1号区域）水分由于受到降雨和蒸发的影响而发生往复运移，但由于该层填料中假定粘粒含量占87%以上，使得整个运移过程较为缓慢;路基部分（2号区域）的水分运移变化受边界条件影响较大，下图9显示了护坡道和坡脚地表以下3m处观察点的水分含量变化过程曲线该特点非常明显。

4.结束语

本文通过采用有限元计算对某填方路基在自然气象条件下的水分运移进行计算，分析其运移规律，结果表明：（1）采用有限元法，对非饱和土土体内水分运移规律进行计算是可行的。（2）由于路基与基础材料及其初始含水率的不同，在整个运移过程中会在基底处形成运移变化的不连续层。（3）在以降雨为主的边界条件下，路基边坡两侧会出现向内的圆弧状渗透区域，且逐渐向下扩展，含水量增大至出现饱和区;当以蒸发为主的边界条件下，水分一方面在重力作用下继续向下运移，另一方面向上运移至地表排出。（4）结合本次计算模型，将模型区域分为3个区。其中，1号区域水分运移受边界条件影响较小、2号区域受边界条件影响较大，而3号区域基本不受影响。

【参考文献】

[1]（加）D.G.弗雷德隆德（Delwyn G.Fredlund），（印尼）拉哈尔佐 （Harianto Rahardjo）著M;陈仲颐等译.非饱和土力学[M].中国建筑工业出版社.1997.

[2]Feddes R.A.P.J.Kowalik，and H.Z.aradny，Similation of Field Water Use and Crop Yield，John Wiley&Sons，New York，NY，1978.