張 新

(越秀（中國）交通基建投資有限公司， 廣東 廣州 510623)

在道路工程中，路基路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，主要受到巖土類型、水體、溫度的影響，其中水的作用最明顯。因地表水或地下水滲入，會降低路基土的抗剪力，出現(xiàn)翻漿、塌陷等現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)凍害、溶蝕等情況。因此，要掌握水對路基路面的影響特征，并制定有效控制方法，從而提高道路質(zhì)量。

1 水的入滲作用機(jī)理

1.1 理化作用

一是化學(xué)侵蝕作用。在地下水的侵蝕下，會對裂隙結(jié)構(gòu)中的石英顆粒產(chǎn)生溶蝕性，和鐵元素結(jié)合產(chǎn)生氧化反應(yīng)，以碳酸鹽質(zhì)巖體為例，化學(xué)反應(yīng)式如下：

二是物理弱化作用。水對斷層和裂縫帶的巖土?xí)a(chǎn)生軟化、泥化效應(yīng)，隨著含水率的變化，巖土體由固態(tài)變?yōu)樗軕B(tài)、液態(tài)，降低了巖土體的力學(xué)性能，尤其是減小了內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

1.2 力學(xué)作用

一是靜水壓力（Ps），是地下水在裂隙結(jié)構(gòu)面上形成的法向應(yīng)力，其力學(xué)作用包括兩個方面：①裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生拉-張擴(kuò)展作用，促使隙寬加大；②裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切延展，裂隙的延伸長度增大。計(jì)算公式如下：

式中ρ代表地下水密度，g代表重力加速度，h代表地下水的總水頭，z代表位置水頭，γ代表地下水重度。

二是動水壓力（Pd），是在水頭差的作用下，地下水的運(yùn)動對結(jié)構(gòu)面、充填物產(chǎn)生的作用力，作用方向和地下水流動方向相同，其力學(xué)作用包括三個方面：①裂隙結(jié)構(gòu)面和充填物發(fā)生位移變形，促使裂隙擴(kuò)展；②隨著裂隙增大，空隙度、透水性加大，滲透速度加快；③當(dāng)滲透速度足夠大時，會將細(xì)小顆粒管涌攜帶出去。計(jì)算公式如下：

式中Ji代表水力坡度在i方向上的分量，參數(shù)δ3i=1（i=3），δ3i=0（i=1,2）。

1.3 遇水軟化作用

巖土體和結(jié)構(gòu)面雨水的軟化作用，主要是強(qiáng)度軟化，結(jié)合非飽和土抗剪強(qiáng)度τ的表達(dá)式，計(jì)算公式如下：

式中C’、φ’代表飽和土的有效粘聚力、內(nèi)摩擦角；σf代表破壞面上的法向總應(yīng)力；Ua代表破壞面上的孔隙氣壓力；(σf-Ua)f代表破壞面上的凈法向應(yīng)力；τu代表基質(zhì)吸力附加強(qiáng)度，計(jì)算方式是τu=(Ua-Uw)f·tanφb，式中Uw代表破壞面上的孔隙水壓力。由此可見，隨著降雨入滲量的增加，C’、φ’、φb均會降低，導(dǎo)致非飽和土體的抗剪強(qiáng)度軟化，引起地面沉降變形。

2 路基含水率原位監(jiān)測試驗(yàn)

2.1 工程案例

以我國某高速公路為例，位于廣州中心城區(qū)，路基寬度為 32m，采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，是城區(qū)東西方向的公路交通主干。本次路基含水率監(jiān)測試驗(yàn)，選擇西行線中的一個斷面，樁號為K26+280，屬于填方路基，填方高度為10m左右。其中面層包括：AC-13上面層+AC-16中面層+AC-25下面層，厚度15cm；基層為水泥穩(wěn)定碎石，厚度為50cm；墊層為級配碎石，厚度為15cm；路基為砂質(zhì)粘土。

2.2 監(jiān)測設(shè)備

該公路日常交通量大，為了減少對交通的影響，將傳感器設(shè)置在路肩范圍內(nèi)。其中監(jiān)測設(shè)備如下：①時域反射儀 TDR，基于介電特性原理下，能快速測定土體的含水率。相比于烘干法等常規(guī)手段，該設(shè)備操作簡單，具有無損、連續(xù)、定點(diǎn)監(jiān)測的優(yōu)勢，主要用于粘土、粉土、砂性土中，其數(shù)據(jù)結(jié)果能滿足含水率監(jiān)測的精度要求。②TDR-3傳感器，以ABS工程塑料作為支撐，具有密封性好、穩(wěn)定性高、耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。采用不銹鋼探針，長度為70mm，量程在0-100%，精度為±2%，計(jì)算得到土體的體積含水率。③QTS-6水分速測儀，和傳感器連接后，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算、生成報(bào)表。

2.3 布設(shè)方法

試驗(yàn)路段的填方厚度較大，路基頂部的填方含水率基本不受地下水的影響，因此在斷面布設(shè)3支TDR-3傳感器，埋設(shè)點(diǎn)均為路肩中心位置的下方路基中，如下圖1所示，編號由下向上分別為1#、2#、3#，和路面相距230cm、170cm、110cm。測試時間為4-9月，前期頻率為每周2次，后期為每2周1次，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)生成路基含水率增量-時間曲線圖。

圖1 TDR-3傳感器的埋設(shè)位置示意圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 降雨對路基含水率的影響

分析監(jiān)測結(jié)果如下：①4月1日-5月1日，三支傳感器的測試結(jié)果變化不大，原因在于降水量少，沒有出現(xiàn)大雨或連續(xù)降雨的情況，因此路基土體的含水率變化小。經(jīng)過長時間的非雨季，此時路基土濕度處于穩(wěn)定狀態(tài)。②5月1日到6月15日，由于降雨量增加，三支傳感器的測試結(jié)果明顯變化，因此路基土體含水率顯著增加。其中，1#、2#、3#傳感器的監(jiān)測結(jié)果增幅分別為 6%、8%、8%。③6月15日到9月30日，在連續(xù)降雨、暴雨的影響下，2#、3#傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)波動明顯，說明該部位土體含水率劇烈變化。其中，3#傳感器處的土體含水量接近飽和，1#傳感器處的土體含水率持續(xù)升高。由此可見，降雨會影響路基土體的含水率，地表水會滲入較大深度，但由于傳感器和路面的距離遠(yuǎn)，因此變化不明顯。

2.4.2 路基含水率的空間變異性

如下表 1，是路基土體積含水率的平均值和變異系數(shù)，分析可知：①4月-5月路基土含水率低于40%，6月-9月含水率高于40%；②距離路面110m、170m的路基土體，含水率變異系數(shù)最小為4月、最大為6月；距離路面230m的路基土體，含水率變異系數(shù)最小為8月、最大為7月。

表1 路基土體積含水率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 水對路基路面穩(wěn)定性的影響

3.1 對路基的影響

一是碾壓不密實(shí)。如果路基不滿足最佳含水量的要求，在碾壓作業(yè)期間，使用重型機(jī)械會導(dǎo)致土體出現(xiàn)裂縫，降低了土體強(qiáng)度。而且，隨著土體含水率的增高，會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際含水量是最佳含水量的1.2倍，此時凍脹值高出 2倍以上。二是沉降量大。當(dāng)路基填筑以后，內(nèi)部水分蒸發(fā)，土體發(fā)生收縮形變，增加了密實(shí)度，出現(xiàn)縱向裂縫和橫向裂縫，最終導(dǎo)致路堤沉陷。此外，水分蒸發(fā)時，邊坡兩側(cè)蒸發(fā)速度快、中部蒸發(fā)速度慢，因此兩側(cè)形變大、中間形變小，導(dǎo)致路基產(chǎn)生裂縫。

3.2 對路面的影響

一是降低結(jié)構(gòu)承載力。降雨時，水分會沿著空隙進(jìn)入路面，但是排出速度緩慢，此時路面類似于封閉槽，水分會浸濕路基土和材料。再加上車輛荷載的影響，壓力水會沖刷路面結(jié)構(gòu)，降低了路面強(qiáng)度，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、脫空等問題。二是發(fā)生翻漿和凍脹。在凍融作用下，水的侵入會降低路基路面的穩(wěn)定性，此時路基上層凍結(jié)，可能引起路面膨脹開裂。而翻漿則是水體、溫度、路面、車輛荷載共同影響的結(jié)果，會縮短道路的使用壽命，不利于行車安全。

4 路基路面施工中對水的控制方法

4.1 加強(qiáng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路施工和使用中，完全避水不可能，應(yīng)該通過排水設(shè)施及時排出水體。排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該考慮地形、地質(zhì)、水文、氣象、公路等級等要素，并且結(jié)合路基路面排水要求，實(shí)現(xiàn)排水構(gòu)造和設(shè)施的有效銜接，促使路基防護(hù)、路面排水形成一個整體。以排水溝渠為例，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：第一，盡量縮短地面和地下排水溝渠的長度，避免水流過于集中，實(shí)現(xiàn)就近分散、及時疏散的目標(biāo)。第二，排水溝渠應(yīng)該和附近的農(nóng)田水利相配合，必要時可以增大管涵的孔徑。第三，路基邊溝要獨(dú)立使用，作為農(nóng)田灌溉用途時，要增加邊溝斷面并加固處理。第四，有效排除并攔截路基范圍以內(nèi)的地表水，避免發(fā)生下滲、漫流、積水等現(xiàn)象。

4.2 針對不同路段控制

第一，填方路段。合理選擇填筑材料，要求強(qiáng)度高、水溫穩(wěn)定性好，常見如砂性土。而且填料中的粗細(xì)顆粒比例均勻，既保證較高強(qiáng)度，又增強(qiáng)粘結(jié)力，有利于壓實(shí)作業(yè)。第二，挖方路段。施工期間設(shè)置截水溝，避免水體沖刷邊坡，提高邊坡穩(wěn)定性。針對滑坡現(xiàn)象，應(yīng)該通過試驗(yàn)測定邊坡土質(zhì)的密實(shí)度、含水量，制定有效的防護(hù)措施。第三，軟土地基路段。采用換填土層法提高路基強(qiáng)度，在路基外設(shè)置排水溝、盲溝，避免水體浸泡路基。調(diào)整路槽后，還要加強(qiáng)路基養(yǎng)護(hù)工作，保證兩側(cè)排水通暢，防止沖刷邊坡。

5 結(jié)語

綜上所述，在道路工程中，水會造成路基碾壓不密實(shí)、沉降量大；降低了路面結(jié)構(gòu)承載力，發(fā)生翻漿和凍脹現(xiàn)象。分析可知，水體對路基路面的影響，作用原理包括理化、力學(xué)、遇水軟化等作用。文中結(jié)合工程案例，進(jìn)行路基含水率原位監(jiān)測試驗(yàn)，提示施工企業(yè)加強(qiáng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對不同路段進(jìn)行控制，從而避免或減輕水體的不利影響，提高道路工程質(zhì)量。

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