铁路路基降雨入渗过程中水-气两相渗流特性研究

降雨入渗过程中铁路路基填料内水、气两相渗流特性对路基填料的服役性能具有显著影响.在以往的研究中,通常假定孔隙气压力恒等于大气压力,而忽略了孔隙气压力变化对水流运动的影响.本文基于水-气两相渗流理论,考虑孔隙气压力的影响,建立路基降雨入渗过程中的水-气两相渗流数学模型.参照高速铁路典型路基横断面结构,针对路基各层填料水力特性,利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics?中的PDE模块对上述数学模型进行求解计算,结果表明:降雨入渗的主要影响区域是基床表层,特大暴雨持续9 h左右,基床表层基本全部处于饱和状态;而基床底层、路基本体、地基层填料由于渗透性较小,降雨过程中水分很难直接迅速地渗入,通常在基床表层与基床底层交界面处产生水分淤积.此时,若列车荷载反复作用,基床表层与基床底层交界面处填料中细颗粒易软化形成泥浆,产生翻浆冒泥病害.降雨入渗初期,由于渗入路基内部的水对原孔隙内气体的挤压作用,使得孔隙气压力逐渐增大,随着降雨时间的增加,受挤压的气体逐渐向下消散,孔隙气压力逐渐减小至接近大气压力值.孔隙气压力的增加会对路基内水流的运动产生阻滞作用,使得路基内孔隙水压力的增长变缓甚至孔隙水压力略有减小,因此,在求解路基降雨入渗的问题时,不能忽略土体内受压空气对水流运动的阻滞作用.