溫度作用下機場跑道土基中水氣運移規律分析

張如如,趙　云,徐文杰,黃 博,凌道盛,韓黎明

(1. 浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大學 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中國民航機場建設集團公司,北京 100101)

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溫度作用下機場跑道土基中水氣運移規律分析

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 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058;2. 浙江大學 巖土工程研究所,浙江 杭州 310058; 3. 中國民航機場建設集團公司,北京 100101)

摘要:針對機場道面“鍋蓋效應”現象,建立考慮水汽相變的一維有限元模型,通過數值方法模擬道面結構阻滯和環境溫度共同作用下土基中的水分運移過程,分析季節性溫度變化、初始溫度、初始飽和度和道面結構等因素的影響.結果表明,溫度降低會引起土基表層水分“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；季節性溫度變化對砂土含水量影響很小,黏土次之,粉質黏土最大,飽和度改變量可達6%左右；道面結構的存在對土基表層含水量影響十分顯著,現場檢測結果與分析結果規律較一致.

關鍵詞：鍋蓋效應；道面阻滯；溫度循環；粉質黏土；現場檢測

“鍋蓋效應”是由李強等[1]率先提出,用于描述機場跑道道面結構下土層中水分富集的現象,并認為大面積砼道面結構的作用類似“鍋蓋”,改變了原地表與大氣之間水分運移平衡.

在高速公路等工程中,環境變化引起地面結構下地基土體水分富集的現象已經引起人們的重視.李倩[2]、高志偉等[3]對新疆地區公路瀝青路面覆蓋層下路基含水量檢測結果表明,路基淺層含水率隨季節波動明顯,且呈現出不斷增加的趨勢.Cui等[4-5]對法國某露天試驗區壓實粉土路基含水率和溫度進行了長期監測,發現晝夜氣溫變化的主要影響深度在34 cm以內,而季節性溫度變化影響深度可達2 m.楊洋等[6]研究了水蒸氣的擴散運移對含水量的影響,認為在計算水氣兩相流問題時不可忽略.汪明武等[7-9]通過模型試驗研究了石灰改良膨脹土中氣態水的運移規律.趙剛等[10]通過模型試驗研究了原狀粉質黏土在凍融循環作用下水分運移過程.需要指出的是,Cui、楊洋等沒有考慮道面結構對水氣運移的影響.徐慧寧[11]、康海貴[12]、劉凱[13]、孫強[14]、韓子東等[15]對瀝青和水泥道面結構及路基土體中的溫度監測結果顯示,晝夜溫度變化在結構層內的影響深度在20 cm以內,季節性溫度變化在結構層內傳導的滯后效應不顯著,在土層中的影響深度可達60 cm.

綜上可見,影響道面(路面)結構下地基土體水氣運移的因素眾多.目前,“鍋蓋效應”形成條件、各種因素對“鍋蓋效應”的影響程度及影響機制尚不明確,考慮道面(路面)結構阻滯作用的機理研究更是少見報道.為此,本文以機場跑道作為研究對象,基于考慮水汽相變的溫度場-滲流場耦合理論,數值分析季節性氣溫變化及道面結構阻滯作用對跑道土基水氣運移的影響規律,定量揭示其對“鍋蓋效應”的貢獻,并通過與某機場跑道土基含水率現場檢測結果對比,驗證分析結果的合理性.

1溫度場-滲流場耦合分析模型

1.1分析模型

根據《民用機場水泥混凝土道面設計規范》[16]規定,機場跑道結構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小于200～240 mm,板間接縫經防水處理,以阻斷土基與大氣之間的水氣交換.基層為水泥穩定層,厚度不小于300 mm.在水文或土質不良的地區一般設置墊層.土基包括壓實填土和原地基土,其中壓實填土是溫度場與滲流場耦合作用的主要區域.本文取面層與基層總厚度為500 mm,沒有墊層.

圖1　機場道面結構簡圖Fig.1　A sketch of airport pavement structure

機場跑道寬度一般不小于45 m,遠大于溫度對土基的影響深度(表面2 m范圍內),采用一維模型分析道面區中心及遠離道面結構影響的土面區水氣運移是可行的.與此同時,混凝土面層和基層導氣和導水性遠小于土體,而熱傳導系數遠高于土體,忽略道面結構的透氣和透水性及其對季節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個模型進行對比分析.其中模型1高6 m,采用不透水、不透氣邊界模擬50 cm厚的道面結構；模型2高6.5 m,采用蒸發邊界模擬土面區表面與環境間的水氣交換.

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

1.2控制方程

假設土骨架不變形、孔隙液體為水,孔隙水不可壓縮.根據質量和能量守恒定律,可以導出溫度場和滲流場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.在孔隙介質中,水的飽和度是基質吸力和溫度的函數：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3模型參數

為分析道面下不同土類的水氣運移規律,選擇砂土、粉質黏土、黏土3種典型土體,表1給出了3種土體的主要物理參數,表中，ρB為質量密度，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種土體相對滲透系數隨飽和度的變化曲線.

表1　流體和土體物理參數

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滲透系數曲線Fig.4　Relative permeability curves for gas and liquid phase

1.4邊界條件

1)上表面

根據1.1節分析,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土基含水量分布的影響,如無特別說明,θ(t)取季節性大氣溫度變化.主要城市近年溫度記錄表明,我國北方季節性溫差顯著高于南方,例如哈爾濱季節性溫差高達40 ℃,而廣州僅為15 ℃.本文以北京地區(季節性溫差約為30 ℃)的季節性溫度(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邊界

(10)

式中：γw為水的容重；E為蒸發強度.根據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

根據北京往年氣象觀測數據,郊區年蒸發量在1 800 mm/a左右[23].本文取風速u=0,平均氣溫25 ℃,大氣相對濕度64%,土表面凈輻射量8 MJ/(m2·d).由式(11)計算最大蒸發強度約6 mm/d.

(2)下表面

根據已有分析成果,溫度等對水氣運移的作用深度有限,一般在2 m深度以內,下表面邊界條件的設置對研究深度范圍內計算結果影響不大.為方便起見,設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

假定土基在最優含水率條件下填筑,且跑道鋪設完成時計算深度范圍內土體含水率均勻分布.砂土、粉質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多場耦合數值分析軟件,在模擬多孔介質中的多場耦合問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構阻滯對“鍋蓋效應”的作用.首先通過模型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土基含水量分布的影響規律.為凸顯溫度變化的影響,本節對比分析了2個不同上表面溫度邊界,即圖5所示季節性變化和恒溫邊界(25 ℃).

2.1土體類型對含水率分布的影響

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

結合土體的持水特性和滲透性,不難解釋上述規律的合理性.當土體溫度降低時,孔隙氣體中少量氣態水物理相變為液態水,同時孔隙氣壓力隨溫度降低而下降.由于基質吸力和含水量不能瞬時發生改變,孔隙流體壓力隨著孔隙氣體壓力下降而下降,引起孔隙水向上運移,導致表層土體水分“富集”.由于溫度變化產生的水分富集是一個過程,“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”過程滯后和衰減越小,同時,“富集”的水分越容易消散.由于飽和度隨基質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大,砂土水分“富集”現象很弱.比較而言,粉質黏土飽和度隨基質吸力變化的梯度較黏土大,而滲透性較砂土小,容易因氣溫降低導致水分“富集”.為進一步研究季節性溫度變化對“鍋蓋效應”的長期影響,如圖10所示給出了5個季節性溫度變化周期內粉質黏土表面飽和度改變量隨時間變化的曲線.由圖10可以看出在沒有水分補給的條件下,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　初始飽和度對飽和度增量的改變Fig.11　Net saturation change effected by initial saturation

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

3道面結構阻滯作用影響分析

如圖13所示給出了5 a內飽和度沿深度分布曲線,如圖14所示為模型1(道面區)與模型2(土面區)飽和度差值隨深度的變化曲線.由圖14可以看出,蒸發導致土面區表層2 m范圍內飽和度大幅降低,其中h= -1～0 m內甚至降至殘余飽和度0.03.由于結構阻滯作用,道面區土體不受蒸發作用影響,飽和度沿深度變化相對較小,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,道面區土體飽和度比同深度土面區土體高30%～45%.

圖13　粉質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某機場跑道土體含水率現場檢測

為進一步探究機場跑道道面區和土面區含水率沿深度的分布規律,于2014年7月底對山西某機場進行了跑道土基含水率檢測.該機場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.道面結構厚50 cm,未設穩定層.檢測斷面距跑道北端400 m,在跑道中心線東側共布置4個鉆孔,如圖15所示.其中,1#、2#、3#孔位于道面區,分別距跑道中心線2.25、11.25、20.25 m,4#孔位于土面區,距道面結構邊緣3.8 m.土基以粉質黏土為主,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　機場檢測鉆孔位置布置Fig.15　Drilling hole position distribution in airport

土體質量含水率采用烘干法測量,檢測結果如圖16所示.結果表明: 1)當h=-2～-0.5 m時,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h=-5～-2 m時,土體含水率近似均勻分布,接近飽和含水率.可見,含水率升高區域在土基表層0.5 m內,1 m以下受道面結構的影響較小.現場含水率分布檢測結果與計算所得水分分布規律較一致.

圖16　現場檢測含水率沿深度分布Fig.16　Field test moisture content distribution along depth

5結論

本文對溫度作用下機場跑道土基水氣運移“鍋蓋效應”進行了有限元分析及現場檢測,得到如下結論：

(1)季節性氣溫變化對道面區土基水分運移有明顯的影響.隨著氣溫降低,土基表層水分“富集”,土體飽和度增大,氣溫變化對土基飽和度的影響深度一般不超過2 m.土體滲透性和持水特性顯著影響水分“富集”程度,計算和現場測試條件下,溫度變化引起的粉質黏土飽和度改變可達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”現象越明顯.

(2)道面結構嚴重阻滯道面區土基與大氣間的水氣運移,道面區土基表層土體飽和度明顯高于土面區同深度處土體飽和度,在氣溫變化共同作用下甚至出現表層50 cm內土體飽和度高于其下部土體的現象,具有“鍋蓋效應”特征.

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

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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.浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2014CB047005).

作者簡介：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：TU 411

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-0822-09