溫度作用下機(jī)場(chǎng)跑道土基中水氣運(yùn)移規(guī)律分析

張如如,趙　云,徐文杰,黃 博,凌道盛,韓黎明

(1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司,北京 100101)

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溫度作用下機(jī)場(chǎng)跑道土基中水氣運(yùn)移規(guī)律分析

張如如1,2,趙云1,2,徐文杰1,2,黃 博1,2,凌道盛1,2,韓黎明3

(1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司,北京 100101)

摘要:針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象,建立考慮水汽相變的一維有限元模型,通過(guò)數(shù)值方法模擬道面結(jié)構(gòu)阻滯和環(huán)境溫度共同作用下土基中的水分運(yùn)移過(guò)程,分析季節(jié)性溫度變化、初始溫度、初始飽和度和道面結(jié)構(gòu)等因素的影響.結(jié)果表明,溫度降低會(huì)引起土基表層水分“富集”,主要影響深度為1 m,土體初始溫度和初始飽和度越高,水分“富集”越明顯；季節(jié)性溫度變化對(duì)砂土含水量影響很小,黏土次之,粉質(zhì)黏土最大,飽和度改變量可達(dá)6%左右；道面結(jié)構(gòu)的存在對(duì)土基表層含水量影響十分顯著,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與分析結(jié)果規(guī)律較一致.

關(guān)鍵詞：鍋蓋效應(yīng)；道面阻滯；溫度循環(huán)；粉質(zhì)黏土；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

“鍋蓋效應(yīng)”是由李強(qiáng)等[1]率先提出,用于描述機(jī)場(chǎng)跑道道面結(jié)構(gòu)下土層中水分富集的現(xiàn)象,并認(rèn)為大面積砼道面結(jié)構(gòu)的作用類似“鍋蓋”,改變了原地表與大氣之間水分運(yùn)移平衡.

在高速公路等工程中,環(huán)境變化引起地面結(jié)構(gòu)下地基土體水分富集的現(xiàn)象已經(jīng)引起人們的重視.李倩[2]、高志偉等[3]對(duì)新疆地區(qū)公路瀝青路面覆蓋層下路基含水量檢測(cè)結(jié)果表明,路基淺層含水率隨季節(jié)波動(dòng)明顯,且呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì).Cui等[4-5]對(duì)法國(guó)某露天試驗(yàn)區(qū)壓實(shí)粉土路基含水率和溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)晝夜氣溫變化的主要影響深度在34 cm以內(nèi),而季節(jié)性溫度變化影響深度可達(dá)2 m.楊洋等[6]研究了水蒸氣的擴(kuò)散運(yùn)移對(duì)含水量的影響,認(rèn)為在計(jì)算水氣兩相流問(wèn)題時(shí)不可忽略.汪明武等[7-9]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了石灰改良膨脹土中氣態(tài)水的運(yùn)移規(guī)律.趙剛等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了原狀粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)作用下水分運(yùn)移過(guò)程.需要指出的是,Cui、楊洋等沒有考慮道面結(jié)構(gòu)對(duì)水氣運(yùn)移的影響.徐慧寧[11]、康海貴[12]、劉凱[13]、孫強(qiáng)[14]、韓子?xùn)|等[15]對(duì)瀝青和水泥道面結(jié)構(gòu)及路基土體中的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,晝夜溫度變化在結(jié)構(gòu)層內(nèi)的影響深度在20 cm以內(nèi),季節(jié)性溫度變化在結(jié)構(gòu)層內(nèi)傳導(dǎo)的滯后效應(yīng)不顯著,在土層中的影響深度可達(dá)60 cm.

綜上可見,影響道面(路面)結(jié)構(gòu)下地基土體水氣運(yùn)移的因素眾多.目前,“鍋蓋效應(yīng)”形成條件、各種因素對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的影響程度及影響機(jī)制尚不明確,考慮道面(路面)結(jié)構(gòu)阻滯作用的機(jī)理研究更是少見報(bào)道.為此,本文以機(jī)場(chǎng)跑道作為研究對(duì)象,基于考慮水汽相變的溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合理論,數(shù)值分析季節(jié)性氣溫變化及道面結(jié)構(gòu)阻滯作用對(duì)跑道土基水氣運(yùn)移的影響規(guī)律,定量揭示其對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的貢獻(xiàn),并通過(guò)與某機(jī)場(chǎng)跑道土基含水率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證分析結(jié)果的合理性.

1溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合分析模型

1.1分析模型

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]規(guī)定,機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)層從上至下依次由面層、基層、墊層、土基組成,如圖1所示.混凝土面層厚度不應(yīng)小于200～240 mm,板間接縫經(jīng)防水處理,以阻斷土基與大氣之間的水氣交換.基層為水泥穩(wěn)定層,厚度不小于300 mm.在水文或土質(zhì)不良的地區(qū)一般設(shè)置墊層.土基包括壓實(shí)填土和原地基土,其中壓實(shí)填土是溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用的主要區(qū)域.本文取面層與基層總厚度為500 mm,沒有墊層.

圖1　機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　A sketch of airport pavement structure

機(jī)場(chǎng)跑道寬度一般不小于45 m,遠(yuǎn)大于溫度對(duì)土基的影響深度(表面2 m范圍內(nèi)),采用一維模型分析道面區(qū)中心及遠(yuǎn)離道面結(jié)構(gòu)影響的土面區(qū)水氣運(yùn)移是可行的.與此同時(shí),混凝土面層和基層導(dǎo)氣和導(dǎo)水性遠(yuǎn)小于土體,而熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)高于土體,忽略道面結(jié)構(gòu)的透氣和透水性及其對(duì)季節(jié)性溫度變化的衰減和滯后作用[2,11-14].因此,本文采用如圖2所示的2個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析.其中模型1高6 m,采用不透水、不透氣邊界模擬50 cm厚的道面結(jié)構(gòu)；模型2高6.5 m,采用蒸發(fā)邊界模擬土面區(qū)表面與環(huán)境間的水氣交換.

圖2　溫度場(chǎng)￣滲流場(chǎng)耦合分析模型Fig.2　Coupling model for temperature and seepage field

1.2控制方程

假設(shè)土骨架不變形、孔隙液體為水,孔隙水不可壓縮.根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律,可以導(dǎo)出溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合作用的控制方程[17-18].

(1)

(2).

(3).

由于孔隙液體為水,分別用Sw和kw代替Sl和kl.在孔隙介質(zhì)中,水的飽和度是基質(zhì)吸力和溫度的函數(shù)：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3模型參數(shù)

為分析道面下不同土類的水氣運(yùn)移規(guī)律,選擇砂土、粉質(zhì)黏土、黏土3種典型土體,表1給出了3種土體的主要物理參數(shù),表中，ρB為質(zhì)量密度，μ為黏度，cp為比定壓熱容，考慮土體滲透和持水特性的影響,圖3給出了3種土體的土水特征曲線,如圖4所示為3種土體相對(duì)滲透系數(shù)隨飽和度的變化曲線.

表1　流體和土體物理參數(shù)

圖3　土-水特征曲線Fig.3　Soil-water characteristic curves

圖4　孔隙氣體和孔隙液體相對(duì)滲透系數(shù)曲線Fig.4　Relative permeability curves for gas and liquid phase

1.4邊界條件

1)上表面

根據(jù)1.1節(jié)分析,模型1和2上表面給定溫度可表示為

θ=θ(t).

(8)

由于不考慮晝夜溫差對(duì)土基含水量分布的影響,如無(wú)特別說(shuō)明,θ(t)取季節(jié)性大氣溫度變化.主要城市近年溫度記錄表明,我國(guó)北方季節(jié)性溫差顯著高于南方,例如哈爾濱季節(jié)性溫差高達(dá)40 ℃,而廣州僅為15 ℃.本文以北京地區(qū)(季節(jié)性溫差約為30 ℃)的季節(jié)性溫度(如圖5所示)作為上表面溫度.

模型1上表面為不透水不透氣邊界,可表示為

(9)

模型2上表面采用自由蒸發(fā)邊界

(10)

式中：γw為水的容重；E為蒸發(fā)強(qiáng)度.根據(jù)Penman-Wilson公式[6,20-21],E可表示為

(11)

圖5　北京某地月平均氣溫曲線Fig.5　Monthly average temperature of Beijing

根據(jù)北京往年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),郊區(qū)年蒸發(fā)量在1 800 mm/a左右[23].本文取風(fēng)速u=0,平均氣溫25 ℃,大氣相對(duì)濕度64%,土表面凈輻射量8 MJ/(m2·d).由式(11)計(jì)算最大蒸發(fā)強(qiáng)度約6 mm/d.

(2)下表面

根據(jù)已有分析成果,溫度等對(duì)水氣運(yùn)移的作用深度有限,一般在2 m深度以內(nèi),下表面邊界條件的設(shè)置對(duì)研究深度范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果影響不大.為方便起見,設(shè)置下表面邊界為不透水不透氣的絕熱邊界,即

(12)

1.5初始條件

假定土基在最優(yōu)含水率條件下填筑,且跑道鋪設(shè)完成時(shí)計(jì)算深度范圍內(nèi)土體含水率均勻分布.砂土、粉質(zhì)黏土和黏土的初始飽和度分別取0.36、0.5、0.6.初始溫度取298 K(25 ℃).

2季節(jié)性溫度變化影響分析

OpenGeoSys(OGS)是一款基于有限元方法的THMC多場(chǎng)耦合數(shù)值分析軟件,在模擬多孔介質(zhì)中的多場(chǎng)耦合問(wèn)題上取得較好的成果[24-25].本文基于該軟件分析了溫度變化和結(jié)構(gòu)阻滯對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的作用.首先通過(guò)模型1分析不同類型土體、不同初始含水率、不同初始溫度條件下表面溫度變化對(duì)土基含水量分布的影響規(guī)律.為凸顯溫度變化的影響,本節(jié)對(duì)比分析了2個(gè)不同上表面溫度邊界,即圖5所示季節(jié)性變化和恒溫邊界(25 ℃).

2.1土體類型對(duì)含水率分布的影響

圖6　溫度沿深度的分布曲線Fig.6　Temperature distribution curve along the depth

圖7　飽和度沿深度的分布曲線Fig.7　Water saturation distribution curve along the depth

圖8　溫度變化引起的飽和度凈增量沿深度的分布曲線Fig.8　Net saturation change distribution curve along the depth caused by temperature variation

結(jié)合土體的持水特性和滲透性,不難解釋上述規(guī)律的合理性.當(dāng)土體溫度降低時(shí),孔隙氣體中少量氣態(tài)水物理相變?yōu)橐簯B(tài)水,同時(shí)孔隙氣壓力隨溫度降低而下降.由于基質(zhì)吸力和含水量不能瞬時(shí)發(fā)生改變,孔隙流體壓力隨著孔隙氣體壓力下降而下降,引起孔隙水向上運(yùn)移,導(dǎo)致表層土體水分“富集”.由于溫度變化產(chǎn)生的水分富集是一個(gè)過(guò)程,“富集”的程度取決于土體的持水特性和滲透性：1)飽和度隨基質(zhì)吸力變化的梯度越大,水分“富集”作用越大；2)滲透性越大,水分“富集”過(guò)程滯后和衰減越小,同時(shí),“富集”的水分越容易消散.由于飽和度隨基質(zhì)吸力變化的梯度很小,黏土的水分“富集”程度較小,但分布明顯；由于孔隙水的滲透系數(shù)大,砂土水分“富集”現(xiàn)象很弱.比較而言,粉質(zhì)黏土飽和度隨基質(zhì)吸力變化的梯度較黏土大,而滲透性較砂土小,容易因氣溫降低導(dǎo)致水分“富集”.為進(jìn)一步研究季節(jié)性溫度變化對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的長(zhǎng)期影響,如圖10所示給出了5個(gè)季節(jié)性溫度變化周期內(nèi)粉質(zhì)黏土表面飽和度改變量隨時(shí)間變化的曲線.由圖10可以看出在沒有水分補(bǔ)給的條件下,重力作用引起土基表層飽和度不斷降低, 溫度下降引起的表層水分“富集”程度逐漸降低.

圖9　土基表面飽和度隨時(shí)間變化Fig.9　Saturation-time curve of subgrade surface

圖10　土基表面飽和度凈增量變化曲線Fig.10　Net saturation change curve of subgrade surface

2.2初始含水率、初始溫度的影響

圖11　初始飽和度對(duì)飽和度增量的改變Fig.11　Net saturation change effected by initial saturation

圖12　初始溫度對(duì)飽和度增量的改變Fig.12　Net saturation change effected by initial temperature

3道面結(jié)構(gòu)阻滯作用影響分析

如圖13所示給出了5 a內(nèi)飽和度沿深度分布曲線,如圖14所示為模型1(道面區(qū))與模型2(土面區(qū))飽和度差值隨深度的變化曲線.由圖14可以看出,蒸發(fā)導(dǎo)致土面區(qū)表層2 m范圍內(nèi)飽和度大幅降低,其中h= -1～0 m內(nèi)甚至降至殘余飽和度0.03.由于結(jié)構(gòu)阻滯作用,道面區(qū)土體不受蒸發(fā)作用影響,飽和度沿深度變化相對(duì)較小,土層表面飽和度比20 cm深度處高2%～5.5%.h=-1 m深度范圍內(nèi),道面區(qū)土體飽和度比同深度土面區(qū)土體高30%～45%.

圖13　粉質(zhì)黏土中飽和度沿深度分布曲線Fig.13　Saturation distribution curve of silty clay alone depth

圖14　模型1與模型2飽和度差值分布曲線Fig.14　Saturation difference between model 1 and 2

4某機(jī)場(chǎng)跑道土體含水率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

為進(jìn)一步探究機(jī)場(chǎng)跑道道面區(qū)和土面區(qū)含水率沿深度的分布規(guī)律,于2014年7月底對(duì)山西某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了跑道土基含水率檢測(cè).該機(jī)場(chǎng)跑道大致呈南北走向,道面由4.5 m×4.5 m的混凝土板鋪成,寬45 m.道面結(jié)構(gòu)厚50 cm,未設(shè)穩(wěn)定層.檢測(cè)斷面距跑道北端400 m,在跑道中心線東側(cè)共布置4個(gè)鉆孔,如圖15所示.其中,1#、2#、3#孔位于道面區(qū),分別距跑道中心線2.25、11.25、20.25 m,4#孔位于土面區(qū),距道面結(jié)構(gòu)邊緣3.8 m.土基以粉質(zhì)黏土為主,表層有10～20 cm厚的素填土.鉆孔表明,地下水位埋深較淺,約在地表下5 m左右.

圖15　機(jī)場(chǎng)檢測(cè)鉆孔位置布置Fig.15　Drilling hole position distribution in airport

土體質(zhì)量含水率采用烘干法測(cè)量,檢測(cè)結(jié)果如圖16所示.結(jié)果表明: 1)當(dāng)h=-2～-0.5 m時(shí),1#、2#、3#、4#孔含水率w由深層至淺層不斷降低；2)1#、2#、3#孔表層含水率較1 m處高2%左右(飽和度高約6%),4#孔含水率在0.5 m處降至12%,較2#孔同深度土體含水率低8%左右；3)當(dāng)h=-5～-2 m時(shí),土體含水率近似均勻分布,接近飽和含水率.可見,含水率升高區(qū)域在土基表層0.5 m內(nèi),1 m以下受道面結(jié)構(gòu)的影響較小.現(xiàn)場(chǎng)含水率分布檢測(cè)結(jié)果與計(jì)算所得水分分布規(guī)律較一致.

圖16　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)含水率沿深度分布Fig.16　Field test moisture content distribution along depth

5結(jié)論

本文對(duì)溫度作用下機(jī)場(chǎng)跑道土基水氣運(yùn)移“鍋蓋效應(yīng)”進(jìn)行了有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),得到如下結(jié)論：

(1)季節(jié)性氣溫變化對(duì)道面區(qū)土基水分運(yùn)移有明顯的影響.隨著氣溫降低,土基表層水分“富集”,土體飽和度增大,氣溫變化對(duì)土基飽和度的影響深度一般不超過(guò)2 m.土體滲透性和持水特性顯著影響水分“富集”程度,計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下,溫度變化引起的粉質(zhì)黏土飽和度改變可達(dá)6%,而砂土層飽和度分布幾乎不受氣溫變化影響.另外,土體初始飽和度、初始溫度越高,土基表層水分“富集”現(xiàn)象越明顯.

(2)道面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重阻滯道面區(qū)土基與大氣間的水氣運(yùn)移,道面區(qū)土基表層土體飽和度明顯高于土面區(qū)同深度處土體飽和度,在氣溫變化共同作用下甚至出現(xiàn)表層50 cm內(nèi)土體飽和度高于其下部土體的現(xiàn)象,具有“鍋蓋效應(yīng)”特征.

(3)在沒有水分補(bǔ)給條件下,道面區(qū)土基表層土體飽和度在重力作用下不斷降低,氣溫變化導(dǎo)致的表層水分“富集”現(xiàn)象也逐漸減弱.

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Water-gas migration analysis in runway subgrade soil under influence of temperature

ZHANG Ru-ru1,2, ZHAO Yun1,2, XU Wen-jie1,2,HUANG Bo1,2,LING Dao-sheng1,2,HAN Li-ming3

(1.MOEKeyLaboratoryofSoftsoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.ChinaAirportConstructionGroupCorporation,Beijing100101,China)

Abstract:A simplified one-dimensional finite model was developed to study the “pot-cover” phenomenon in airport runways taking water-vapor phase change into consideration. Moisture movement process in subgrade soils was numerically simulated under the influence of pavement structure’s blocking effect and environmental temperature. The influence of seasonal temperature change, initial temperature, initial saturation and pavement’s blocking effect were analyzed. Results showed that water content in subgrade surface enriched with the decrease of temperature. The main influence depth was 1 m. The water enrichment phenomenon was enhanced with the rising of initial saturation and temperature. Seasonal temperature change affected silty clay the most, maximum saturation change of which could reach nearly 6%, the second for clay, while water content in sand is relatively less affected. The existence of pavement structure has significant influence on moisture distribution. The analysis results accorded with in-situ test results．

Key words:pot-cover effect; blocking effect; temperature cycling; silty clay; in-situ test

收稿日期：2015-06-03.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB047005).

作者簡(jiǎn)介：張如如(1991-)，男，碩士生，從事非飽和土方面等研究.ORCID：0000-0002-6854-2872.E-mail: zhangruru111@126.com通信聯(lián)系人：徐文杰，男，博士.ORCID：0000-0002-1716-8251.E-mail: wenjiexu84@gmail.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.003

中圖分類號(hào)：TU 411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)05-0822-09