CN106599444A - 一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法 - Google Patents

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蒋红光
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赵庆
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Abstract

本发明公开了一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，将非饱和土体路基中在毛细作用的影响下的水分运动和盐分作为溶质随水分运动而运动的溶质运移两个物理场耦合到一起，得出不隔断情况和局部隔断情况下非饱和土体路基的聚盐规律，确定合理的隔断长度。通过上述处置方法的给出，先计算出合理的隔断长度，再应用到实际工程当中，有效确定隔断长度，保证隔断应有的作用，避免盐渍土路基产生病害，局部隔断技术能够代替全部隔断技术，满足盐渍土路基的处置要求，节约大量宝贵资源，有效加快施工进度，最大程度地减少对周围环境的影响，具有广阔的应用前景。

Description

一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法
技术领域
本发明涉及盐渍土路基病害处置技术领域，尤其涉及一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法。
背景技术
公路建设是国家的基础产业和经济发展的纽带，但同时也面临着诸多问题。盐渍土是指在自然因素、人为因素等因素联合作用下产生的盐土和碱土及盐化、碱化土壤的总称，在公路工程领域指距地表1m深的土层里盐分的含量超过0.3％的土。我国东部沿海或西部内陆是盐渍土广泛分布的地区，盐渍土的盐胀、冻胀和溶蚀等不良工程性质会加剧路基的冻胀与翻浆等病害，严重影响道路的稳定性和耐久性。现行的《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)规定，在盐渍土地区的地下水埋深较浅、毛细水上升较高或易受地表水影响路段，需采取抬高路基、设置隔断层、地基换填、路基换填砂砾等技术措施，以抑制或隔断水盐上升。其中在各类工程处置措施中，设置隔断层是预防盐渍土地区路基病害发生最为常用和有效的方法之一。目前，高等级路基的隔断层通常采用满铺砂砾垫层，其上满覆复合土工膜的全部隔断的形式。这种满铺隔断层工程造价昂贵，违背绿色经济的理念，造成了资源的极大浪费，因此，在工程领域急需一种新型的盐渍土路基隔断处置技术。
发明内容
本发明第一目的是提供一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，该方法通过COMSOLMuLtiphysics软件建模，并获得符合实际工况需求的隔断长度，再应用到实际施工环境中，保证了隔断应有的作用，避免盐渍土路基产生病害。
为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：
一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，使用理查德方程耦合溶质运移方程进行计算，得出不隔断情况和局部隔断情况下非饱和土体路基的聚盐规律，确定合理的隔断长度，具体在COMSOL MuLtiphysics软件中进行实现。
水分的运动和盐分的存在是路基聚盐现象的两个必要条件，在毛细水作用下，含盐的地下水向路基上部迁移聚集形成聚盐现象；使用理查德方程对路基中的水分运动进行研究，使用溶质运移方程对路基中的盐分运动进行研究。
通过上述处置方法的给出，先计算出合理的隔断长度，再应用到实际工程当中，有效确定隔断长度，保证隔断应有的作用，避免全部隔断的设置，有效节约资源，同时有效避免盐渍土路基产生病害。
上述处置方法，包括以下步骤：
1)计算参数的确定：通过所需处置的盐渍土路基用土的基本性质、ComsoL使用手册及土壤水分特征曲线(VG模型)参数，确定数值模拟所需的计算参数；
2)构建不隔断路基模型：使用二维轴对称建模构建不隔断路基模型；
3)不隔断路基聚盐规律的数值模拟：根据所需处置的盐渍土路基的实际工况，输入步骤1)确定的计算参数，进行COMSOL MuLtiphysics软件数值模拟计算，得出该工况条件下不隔断路基的聚盐规律云图；
4)分析确定局部隔断长度：根据步骤3)得出的聚盐规律云图，得出路基内部和边坡处形成盐渍土的临界高度线，为使路基盐渍土临界高度线低于公路路基设计规范中的当地路基冻深线，先初步拟定该工况条件下盐渍土路基所需的局部隔断长度；
5)构建局部隔断路基模型；
6)局部隔断路基聚盐规律的数值模拟：进行COMSOL MuLtiphysics软件数值模拟计算，得出该工况条件下局部隔断路基的聚盐规律云图；
7)确定局部隔断的长度：根据步骤6)获得的聚盐规律云图，结合路基冻深线要求，判断局部隔断层长度是否满足使用要求，若否，则改变局部隔断层长度，重复步骤4)至步骤6)，直至局部隔断层长度满足使用要求；
8)将步骤7)确定的隔断的长度用于相应工况条件下的工程施工。
在达到相同目的的情况下采用合理的局部隔断长度，避免采用全部隔断，处置效果明显，工程造价低。
所述步骤3)中不隔断路基的聚盐规律和步骤6)中局部隔断路基的聚盐规律均使用流体流动物理场中多孔介质和地下水流方向下的理查德方程与化学物质传递物理场中的溶质运移方程进行计算。
所述步骤1)中计算参数有饱和渗透系数Ks(m·d-1)、饱和含水量θs、残余含水量θr、模型参数a(m-1)、模型参数n、模型参数m、最佳含水率ω、体积含水量θ、盐分液相扩散系数Dl(m2/d)、盐分纵向扩散系数、盐分横向扩散系数。
所述步骤2)中不隔断路基模型采用网格划分，计算时间为90天。
影响盐渍土路基的聚盐规律的主要因素包括：路基高度、地下水深度、地下水矿化度、蒸发强度等。其中路基高度、地下水深度和蒸发强度通过直接改变毛细作用影响毛细水上升高度进而影响盐分聚集，地下水矿化度通过改变毛细水溶质浓度影响毛细作用进而影响盐分聚集；因此所述步骤3)中盐渍土路基的实际工况包括路基高度、地下水深度、地下水矿化度和蒸发强度。
所述步骤7)中需要判断隔断层长度是否满足使用要求的判断方法为：若路基盐渍土临界高度线高于路基设计规范要求的冻深线，则不满足安全使用要求，应增加隔断长度。
所述步骤7)中需要判断隔断层长度是否满足使用要求的判断方法为：若路基盐渍土临界高度线低于路基设计规范要求的冻深线，满足安全使用要求；在满足安全使用要求情况下，若要满足工程最佳经济性要求，则应减小隔断长度，直至路基盐渍土临界高度线相切于路基设计规范要求的冻深线。
所述步骤8)在工程施工时，对坡脚通过反包进行坡脚保护。
所述坡脚保护的方法为：由坡脚沿边坡向上铺筑设定长度的复合土工膜，并反包设定长度的土工膜进入土中。
本发明具有以下优点：
通过数值计算优化隔断长度，在保证良好的盐渍土路基盐分隔断处置效果下，可显著降低工程造价，局部隔断技术能够代替全部隔断技术，满足盐渍土路基的处置要求，节约大量宝贵资源，有效加快施工进度，最大程度地减少对周围环境的影响，具有广阔的应用前景。新的解决方案的研究和实施不仅是对已有方案的突破和革新，而且也符合我国可持续发展的需要，有利于提高公路建设水平，加快社会发展进程。
附图说明
图1是不隔断路基模型图；
图2是不隔断路基模型网格划分图；
图3是不隔断路基聚盐规律云图；
图4是局部隔断路基模型图；
图5是局部隔断路基模型网格划分图；
图6是局部隔断路基聚盐规律云图；
图7是试验路取芯方案图；
图8是确定的计算参数；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
工程背景：济东高速位于山东省的北部地区，沿线气候干燥，地下水水位高且矿化度高，多段地基土为中盐渍土，严重影响铺筑路基的使用性能。根据济东高速沿线盐渍土调研情况，第十四合同段是全线盐渍化较严重路段。为验证盐渍土路基局部隔断处置的可行性和有效性，选择十四标段地基盐渍化最严重的K122+359.7～K122+420进行试验路铺筑。经现场调研，该试验路段路基高度约为3m，地下水深度为1.5m，地下水矿化度为28.6g/L，日均蒸发强度为6mm/d。
盐渍土路基局部隔断处置技术的具体实施流程为：
步骤一：根据室内试验所得试验路用土的基本性质、ComsoL使用手册及土壤水分特征曲线(VG模型)参数，可得数值模拟时所需参数如下：饱和渗透系数Ks＝0.02cm·h-1＝4.8×10-3m·d-1；饱和含水量θs＝0.36；残余含水量θr＝0.07；模型参数a＝0.005cm-1＝0.5m-1；模型参数n＝1.09；模型参数m＝0.083；最佳含水率ω＝0.134，体积含水量θ＝0.235；盐分纵向扩散系数0.005，盐分横向扩散系数0.001；盐分液相扩散系数Dl＝3.74×10-2m2/d，土的最大干密度＝1.76g/cm3。
步骤二：不隔断路基模型构建
使用二维轴对称建模构造不进行隔断处置的模型方案如图1，模型采用较细化网格划分如图2，计算时间为90天。其中1号和3号为轴对称边界，2号边界为含盐地下水流入边界，4号、8号边界为无流通边界，5号、6号、7号为流出边界和蒸发边界。
步骤三：输入步骤一中确定的计算参数如图8所示。
使用步骤二中建立的不隔断路基模型进行数值计算，所得路基聚盐规律云图如图3所示。由图可知，路基边坡尤其是坡脚位置处聚盐量明显高于路基内部，需要在工程施工中对路基坡脚进行特殊防护。
步骤四：公路工程领域规定土体含盐量超过0.3％为盐渍土，由土体的最大干密度为1.76g/＝1760g/L换算可得，5.280为盐渍土临界含盐量，即图中标记的白线为盐渍土临界高度线。通过不隔断路基聚盐规律云图，可以得出路基内部形成盐渍土的临界高度为0.8m，边坡处形成盐渍土的临界高度为1.3m。根据公路路基设计规范要求，初步得出该工况条件下盐渍土路基所需的局部隔断长度为6m。
步骤五：局部隔断路基模型构建
使用二维轴对称建模构造局部隔断处置的模型方案如图4，模型采用较细化网格划分如图5，计算时间为90天。其中1号和3号为轴对称边界，2号边界为含盐地下水流入边界，4号、5号、6号、7号、11号边界为无流通边界，8号、9号、10号为流出边界和蒸发边界，其中6号、7号无流通边界的长度为步骤四中所确定的局部隔断长度。
步骤六：使用步骤一中确定的计算参数和步骤五中建立的局部隔断路基模型，通过COMSOL MuLtiphysics软件的数值模拟计算，得出该工况条件下局部隔断路基的聚盐规律云图如图6所示。
步骤七：根据局部隔断路基聚盐规律云图，可以看出在6m隔断长度下，路基内部和边坡处的盐渍土临界高度线处于安全值之内。半幅路基底部全宽11.25m，隔断长度为6m，降低工程造价约46.7％，满足本发明节约资源降低工程造价的目的，因此6m隔断长度符合设计要求。
步骤八：试验路隔断长度设定为6m，根据盐渍土路基施工规范要求进行施工。并且对坡脚反包进行坡脚防护，由坡脚沿边坡向上铺筑50cm复合土工膜，并反包50cm土工膜进入土中。同时设置不隔断路基和全部隔断路基两组对照实验，90天后路基进行钻芯取样。道路建设完成后，路基顶部为不具备蒸发条件的路面层，盐分的积聚主要出现在路基边坡及土路肩带，试验路含盐量的检测主要针对路基边坡的含盐量。取芯方案如下图所示，A、B、C、D每个断面从上到下每隔0.5m取一待测土样。
参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中T0152-1993与T0153-1993进行易溶盐试验待测液的制备及含盐量测定试验。先将待测土样置于烘箱内，烘箱温度设定105～110℃，烘干8小时，称取土样50～100g，计干土质量为m干土，精确至0.01g，放入干燥的烧杯中。按照土水比例1:5添加蒸馏水，震荡搅拌，使待测液保持均匀。将待测液静置半小时，使用离心机进行分离，离心机保持转速4000r/min运转10分钟，取上层清液过滤，从而将土水混合溶液分离。
使用准确至0.0001g的天平称量烧杯质量m1，将待测清液加入烧杯，然后放入烘箱内烘干，直至烧杯内完全干燥，取出放入干燥器内冷却，称量烧杯与盐晶体的总质量m2。
含盐量：
表1不隔断方案路基边坡含盐量
表2全隔断处置方案路基边坡含盐量
表3局部隔断处置方案路基边坡含盐量
检测评价：通过表1可知，不隔断的试验段边坡出现了明显的聚盐现象，含盐量骤增，不同高度的路基边坡分别产生了不同程度的次生盐渍化现象，距路基顶部1m以下的路基含盐量均高于0.3％，特别在靠近坡脚的D断面，路基土含盐量大于1％，形成了中盐渍土。通过表2～表3可知，局部隔断处置和全部隔断处置的的实验效果基本一致，距路基顶部2.5m以内的路基土含盐量小于0.3％，均未形成盐渍土，特别在隔断层附近的含盐量有一个明显的骤减，说明处置效果明显。因此，局部隔断技术能够代替全部隔断技术，满足盐渍土路基的处置要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，使用理查德方程耦合溶质运移方程进行计算，得出不隔断情况和局部隔断情况下非饱和土体路基的聚盐规律，确定合理的隔断长度。
2.如权利要求1所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算参数的确定：通过所需处置的盐渍土路基用土的基本性质、ComsoL使用手册及土壤水分特征曲线参数，确定数值模拟所需的计算参数；
2)构建不隔断路基模型：使用二维轴对称建模构建不隔断路基模型；
3)不隔断路基聚盐规律的数值模拟：根据所需处置的盐渍土路基的实际工况，输入步骤1)确定的计算参数，进行COMSOL MuLtiphysics软件数值模拟计算，得出该工况条件下不隔断路基的聚盐规律云图；
4)分析确定局部隔断长度：根据步骤3)得出的聚盐规律云图，得出路基内部和边坡处形成盐渍土的临界高度线；为使路基盐渍土临界高度线低于公路路基设计规范中的当地路基冻深线，先初步拟定该工况条件下盐渍土路基所需的局部隔断长度；
5)构建局部隔断路基模型；
6)局部隔断路基聚盐规律的数值模拟：进行COMSOL MuLtiphysics软件数值模拟计算，得出该工况条件下局部隔断路基的聚盐规律云图；
7)确定局部隔断的长度：根据步骤6)获得的聚盐规律云图，结合路基冻深线要求，判断局部隔断层长度是否满足使用要求，若否，则改变局部隔断层长度，重复步骤4)至步骤6)，直至局部隔断层长度满足使用要求；
8)将步骤7)确定的隔断的长度用于相应工况条件下的工程施工。
3.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤3)中不隔断路基的聚盐规律和步骤6)中局部隔断路基的聚盐规律均使用流体流动物理场中多孔介质和地下水流方向下的理查德方程与化学物质传递物理场中的溶质运移方程进行计算。
4.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤1)中计算参数有饱和渗透系数Ks(m·d-1)、饱和含水量θs、残余含水量θr、模型参数a(m-1)、模型参数n、模型参数m、最佳含水率ω、体积含水量θ、盐分液相扩散系数Dl(m2/d)、盐分纵向扩散系数、盐分横向扩散系数。
5.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤2)中不隔断路基模型采用网格划分，计算时间为90天。
6.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤3)中盐渍土路基的实际工况包括路基高度、地下水深度、地下水矿化度和蒸发强度。
7.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤7)中需要判断隔断层长度是否满足使用要求的判断方法为：若路基盐渍土临界高度线高于路基设计规范要求的冻深线，则不满足安全使用要求，应增加隔断长度。
8.如权利要求2或7所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤7)中需要判断隔断层长度是否满足使用要求的判断方法为：若路基盐渍土临界高度线低于路基设计规范要求的冻深线，满足安全使用要求；在满足安全使用要求情况下，若要满足工程最佳经济性要求，则应减小隔断长度，直至路基盐渍土临界高度线相切于路基设计规范要求的冻深线。
9.如权利要求2所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述步骤8)在工程施工时，对坡脚通过反包进行坡脚保护。
10.如权利要求9所述的一种盐渍土路基上盐分隔断处置方法，其特征在于，所述坡脚保护的方法为：由坡脚沿边坡向上铺筑设定长度的复合土工膜，并反包设定长度的土工膜进入土中。
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