基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析-1-基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析摘要：针对带裂（接）缝的沥青路面和水泥混凝土路面结构进行渗流模拟，对于密级配基层，入渗到基层中的水分横向排出的速度缓慢。面层下设置排水基层并结合边缘排水系统能迅速排除层间及结构层内自由水，并有效地减少下渗到底基层的雨水裂缝入水导致结构层含水量大幅提高。关键词：路面排水；裂缝；渗流：文献标识码：DrainageAnalysisforCracksinPavementLayersBasedonUnsaturatedFlowTheorySUWeiXiang(GuangzhouHighwaySurveyandDesignCo.,Ltd,Guangzhou,Guangdong510500)Abstract:Drainageanalysisforcracksinpavementlayersbasedonunsaturatedflowtheory,MasswaterhaveInfiltratedintodense-gradedbaseswhenexistingcracksandjointsandtransversedirectionflowrateissloPermeablebaseshavesignificantlyreducedmoistureinthesections.Keywords:drainage;cracks;seepage水是危害公路的主要自然因素。大多路基沉陷、冲刷、坍塌、翻浆沥青路面松散、剥落、龟裂，水泥混凝土路面唧泥、错台、断裂等病害，都不同程度地与地表水和地下水的侵蚀有关。水的作用加剧了路基和路面结构的损坏，加快了路面使用性能的恶化，缩短了路面的使用寿命[1]。有资料显示，良好的公路排水系统能将道路的使用寿命延长2到3倍。AASHTO和美国工程兵部队的路面设计指南都指出，完善的公路排水系统对确保路基路面良好的使用性能、延长道路使用寿命和节省道路养护费用等方面起着关键的作用[2,3]。Birgisson[2]基于非饱和土理论，采用SEEP/W软件对明尼苏达州三条公路进行渗水模拟。通过SEEP/W计算出公路初始地下水位修正由明尼苏达州公路局提供的土水特征曲线进气值、斜率和渗透系数等参数，发现含水量的模拟值与实测值有很好的相关性。结论指出SEEP/W能有效地模拟多层路面结构的非饱和排水。收稿日期：2009-12-22作者简介：苏伟翔(1982-)，男，广东广州人，助理工程师，广州市公路勘察设计有限公司，广东广州510500基于非饱和流的路面结构裂缝渗水分析-2-本文基于前人非饱和土参数值的研究上，运用有限元软件针对带裂（接）缝的沥青路面和水泥混凝土路面结构进行渗流模拟，分析新建路面与带裂缝路面结构雨水入渗量，路面内部排水系统对以上结构的排水性能改善程度。1路面结构层渗流模型非饱和土与饱和土的根本区别在于，前者为三相体，部分空隙由气体填充。Fredlund[4]等采用两个独立应力状态变量进行非饱和土的理论应力分析。这两个独立应力状态变量是净法向应力和基质吸力。其中σ为土体单元法向应力，μa为孔隙气压力，μw为孔隙水压力。饱和土是非饱和土的一种特殊情形，即＝0，因此只有一个应力状态变量。通常在工程应用中假定孔隙气压力与大气压强相等，于是μa＝0，因此非饱和区的压力势就是负孔隙水压力（-μw），即基质吸力就用负孔隙水压力来衡量。（1）式中：y为距离地下水位的距离，水位以上为负水位以下为正；γw为水的重度。由于非饱和带中水分运动速度比较缓慢空气的运动可以不予考虑，复杂的两相流问题就可以简化为相对简单的单相流问题。对于非饱和渗流，土的渗透系数不是一个常数，而是一个与饱和度和含水量相关的变量，记做k(θ)，其中θ为体积含水量Richard[6](1931)将Darcy定律应用到非饱和流中，并推导得出非饱和渗流基本微分方程：（2）式中，H为总水头；kx、ky、kz分别为x、y、z方向的渗透系数。Richard方程可以分别由含水率毛管压力水头等写成不同的表达方式。由于无法求得解析解，目前一般采用数值方法进行求解。对现行的路面排水设计方法的改进主要应从三个方面进行。在设计理论基础方面，应用与实际相符的非饱和土理论考虑非饱和渗流的影响；在材料设计参数方面，重点考虑排水介质（岩石与土）的渗透系数的各向异性、非饱和性等；在计算方法方面，应用现代计算机技术对复杂水文、地质条件下的工程问题进行数值模拟计算[6]。2沥青路面接（裂）缝入水Ridgeway[7]直接在已使用多年的旧路面上进行表面水渗入率的测定试验，建议采用接（裂）缝的渗入率作为指标，并提出每厘米缝的设计值为100cm3/h/cm。我国公...