孙万民

摘要：为了揭示气泡轻质土的渗流特性，基于Richards方程，运用COMSOL Multiphysicis有限元软件分析不同降雨强度、降雨持时以及渗透系数对气泡轻质土的渗流特性的影响。结果表明：1）在降雨持时相同的情况下，随着降雨强度的增大降雨入渗的深度越深，且小雨或中雨情况下降雨入渗速度缓慢，当雨强由大雨增加至暴雨时，入渗深度明显增大;2）在降雨强度一定的情况下，随着降雨持时的增加，降雨入渗的深度逐渐增加，但增加的速度呈现减小的趋势;3）在降雨强度和持时不变的情况下，降雨入渗的深度随着气泡轻质土渗透系数的增加而增加，但增加的速度呈现减小的趋势。

关键词：气泡轻质土;降雨;渗流;数值模拟

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，迫切需要对现有道路改扩建进行升级[1]。泡沫轻质土作为一种利用物理方法混合形成輕质流态的建筑材料，可根据工程实际需求调节配合比、密度和强度等基础指标[2-4]。我国自2002年开始引进并发展了泡沫轻质土技术，至今已在多个建设工程中广泛应用，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]。由于自身轻质的特点，气泡轻质土作为路基填料性能优越，可有效减小拓宽部分路基由于自重而产生的附加应力，从而达到减轻新旧路基间的不均匀沉降问题[6-7]，多年来在道路改扩建工程中得到了广泛应用。

鉴于此，本文以福建省沙埕湾跨海公路通道工程为背景，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，为泡沫轻质土在工程中的应用提供依据。

1 计算原理及模型的建立

1.1 计算原理

降雨入渗水分运动连续方程是在饱和-非饱和渗流方程的基础上而产生，通常降雨入渗研究为二维范畴，可表示为[8]：

1.2 研究区概化模型

本文计算模型以福建省沙埕湾跨海公路通道工程为工程地质原型，在已有路基的基础上，采用气泡轻质土作为路基填料进行道路的扩建。其中轻质土分为两个阶梯，第一阶梯宽2.5m，厚1.0m，第二阶梯宽5.0m，厚2.2m。另外，气泡轻质土上为0.7m厚路面基层，路基右侧为20cm厚的C25混凝土挡墙。通过简化处理概化计算模型如图1所示。

1.3 计算初始与边界条件

土壤水分计算方程的定解条件通常包括初始条件和边界条件。此处设置初始水位为-10m作为模型的初始条件，模型计算边界为第二类边界条件，其中路面部分为降雨边界，在COMSOL中，Richards方程模拟降雨计算边界主要采用入口边界，模型的两侧及底部均采用无流动边界。

1.4 参数设置

土样源自研究区路基，通过滤纸法测得含水率与吸力的关系，并采用Van Genuchten模型（式2）进行参数标定，如表1

2 气泡轻质土渗流特性分析

2.1 雨强的影响

降雨主要影响为雨强和持时，其中雨强等级可划分为小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨。本文选取5mm/d、17mm/d、36mm/d、75mm/d和100mm/d（即各中值）分别作为小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨强度进行模拟分析。

降雨持时相同的情况下，随着降雨强度的增大降雨入渗的深度越深。以200h为例，当雨强为小雨或中雨时，降雨入渗速度缓慢，降雨对气泡轻质土层含水率几乎没有影响（湿润峰深度小于0.7m）;当为大雨时，降雨才开始对气泡轻质土层含水率产生影响（湿润峰深度大于0.7m），如雨强分别为36mm/d、75mm/d和100mm/d时，湿润峰深度分别约为1.1m、2.7m和3.3m，当雨强由大雨增加至暴雨时，入渗深度明显加快。

2.2 降雨持时的影响

随着降雨持时的增加降雨入渗的深度越深，约从第65h时降雨开始对气泡轻质土层含水量产生影响。当降雨持时分别为100h、150h、200h时，降雨入渗至气泡轻质土层的深度分别约为0.85m、1.95m和2.65m，分别增加了1.1m和0.7m。可见降雨入渗的深度随着降雨持时的增加而增加，但增加的速度逐渐减小，降雨入渗的深度逐渐趋于一个稳定值。

不同配比的气泡轻质土具有不同的渗透系数，为更加全面的研究泡沫轻质土在工程中的应用提供依据，控制雨强、降雨持时等其它条件不变，分别取 、 、 、 和 作为气泡轻质土的渗透系数进行计算，得到不同渗透系数下气泡轻质土的体积含水率云图如图2所示。

由图可知，降雨入渗的深度随着气泡轻质土渗透系数的增加而增加，即降雨入渗的速度随着气泡轻质土渗透系数的增加而增加。此外，泡轻质土渗透系数由 逐渐增加至 时，降雨入渗深度分别增加了0.65m、0.25m、0.18m和0.16m，可见增加的速度呈现减小的趋势，即随着气泡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气泡轻质土提供更科学的依据。

3 结论

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，进而对降雨条件下气泡轻质土的渗流特性展开研究，得出如下结论：

（1）在降雨持时相同的情况下，随着降雨强度的增大降雨入渗的深度越深。其中小雨或中雨情况下降雨入渗速度缓慢，降雨200h时入渗深度均未达到气泡轻质土层，当雨强由大雨增加至暴雨时，入渗深度明显增大。

（2）在降雨强度一定的情况下，降雨入渗的深度随着降雨持时的增加而增加，但增加的速度逐渐减小，说明随着降雨持时的增加，降雨入渗的深度将趋于一个稳定值。

（3）在降雨强度和持时不变的情况下，降雨入渗的深度随着气泡轻质土渗透系数的增加而增加（即降雨入渗的速度随着渗透系数的增加而增加），但增加的速度呈现减小的趋势。可为实际工程中合理的设计和应用气泡轻质土提供更科学的依据。

参考文献：

[1]李群，李建宇，杨建辉，等.泡沫轻质土在既有软基道路扩建中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2018，35（06）：102-107.

[2]吴颖峰，王海峰.基于泡沫混凝土技术的公路拓宽工程改建[J].铁道建筑，2013（02）：75-77.

[3]于航波，吕锡岭，姜天鹤，周红海.泡沫混凝土在软基地区高速公路拓宽工程的应用[J].城市道桥与防洪，2010（10）：144-147+209.

[4]蔡力，陈忠平，吴立坚.气泡混合轻质土的主要力学特性及应用综述[J].公路交通科技，2005（12）：71-74.

[5]孙文.既有软基道路扩建中泡沫轻质土的应用研究[J].四川水泥，2020（05）：50-52

[6]严琼，乔可帅，陈钒，张铎.基于连续-离散耦合的公路拓宽路基变形及换填处治宏细观分析[J].公路交通科技，2017，34（10）：26-33.

[7]游乃安.浅谈泡沫轻质土在高速公路改扩建中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（05）：8-10.

[8]詹小军. 强降雨条件下大孔隙斜坡非平衡渗流特性与失稳机理研究[D]. 硕士学位论文，福州： 福州大学，2017.