摘 要：探討了路基濕度狀態(tài)的變遷、影響因素及路基設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)階段的關(guān)系，通過非飽和土力學(xué)理論闡述了基質(zhì)吸力對(duì)于路基濕度的影響，利用土的三項(xiàng)指標(biāo)推導(dǎo)了飽和度與體積含水率的關(guān)系，基于模型進(jìn)一步建立了飽和度和基質(zhì)吸力的特征曲線。根據(jù)嶺南地區(qū)特點(diǎn)提出了濕度調(diào)整系數(shù)的近似計(jì)算方法。研究表明，嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶路基在運(yùn)營(yíng)期的平衡濕度狀態(tài)多為受地下水控制的潮濕狀態(tài)，路基土類和地下水埋深是重要影響因素，采用經(jīng)過飽和度換算的水-土特征曲線計(jì)算的路基濕度調(diào)整系數(shù)相比于規(guī)范查表法偏大，對(duì)設(shè)計(jì)的回彈模量值偏嚴(yán)格。

關(guān)鍵詞：河網(wǎng)密布帶;濕度調(diào)整系數(shù);水—土特征曲線;飽和度;回彈模量

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

我國(guó)嶺南地區(qū)大多呈現(xiàn)出高溫多雨、河網(wǎng)密布，地下水埋深淺，土質(zhì)較細(xì)，毛細(xì)現(xiàn)象明顯的特點(diǎn)，在這樣特殊的水熱環(huán)境中設(shè)計(jì)路基，必須對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的路基濕度狀況進(jìn)行合理的預(yù)估，以便選取合理的路基頂面動(dòng)態(tài)回彈模量值來保證對(duì)路面結(jié)構(gòu)的有效支撐，其取值大小對(duì)路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、路基施工的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)等有著直接的影響[1]。近些年，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者采用非飽和土力學(xué)基本理論，采用基質(zhì)吸力的概念對(duì)路基的回彈模量及其影響因素展開了廣泛深入的理論研究，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范也吸收了大量成熟的研究成果，得以讓公路設(shè)計(jì)者以一個(gè)動(dòng)態(tài)的視角把握路基全壽命工作狀態(tài)，特別是濕度狀態(tài)的變化規(guī)律，最終形成了技術(shù)參數(shù)供設(shè)計(jì)人員選取。但現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)影響路基動(dòng)態(tài)回彈模量最重要的濕度調(diào)整系數(shù)給定的取值范圍比較廣泛。這種差異在嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)路基濕度狀況預(yù)估不足，使得運(yùn)營(yíng)階段路基回彈模量隨含水量增多而迅速衰減，以至于無法達(dá)到路面設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)土基變形的控制要求，最終造成路基路面受力變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。

所以，如何從設(shè)計(jì)的角度針對(duì)嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶的水文地質(zhì)特點(diǎn)，充分考慮運(yùn)營(yíng)期濕度對(duì)粘性土路基的影響，是保障道路按設(shè)計(jì)預(yù)估狀態(tài)正常工作的關(guān)鍵。

1 路基設(shè)計(jì)狀態(tài)和水-土特征曲線方程

1.1 路基設(shè)計(jì)狀態(tài)

路基從設(shè)計(jì)到通車運(yùn)營(yíng)期間經(jīng)歷了設(shè)計(jì)狀態(tài)、施工狀態(tài)和使用狀態(tài)，根據(jù)路基的功能，設(shè)計(jì)狀態(tài)應(yīng)與使用狀態(tài)保持一致。但路基施工是在最佳含水率和最大干密度的狀態(tài)下分層壓實(shí)而成，此時(shí)處于最佳濕度狀態(tài)。通車運(yùn)營(yíng)后，在當(dāng)?shù)亟涤辍⒄舭l(fā)、地下水等作用下路基內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生新的水分遷移和濕度重分布，工程經(jīng)驗(yàn)表明含水量會(huì)增大5%至10%，并在施工完后2至3年達(dá)到平衡，此時(shí)路基處于平衡濕度狀態(tài)。這種濕度的影響最終在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)在路基動(dòng)態(tài)回彈模量的衰減上，因此需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行考慮。

1.2 水-土特征曲線方程

嶺南地區(qū)多為沖積平原或?yàn)I海相沉積物，修筑路基一般以填筑路堤為主，填料多為工程性質(zhì)良好的粘性土，結(jié)構(gòu)上屬于重塑后再壓實(shí)的三相非飽和土。

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，非飽和土的孔隙中孔隙氣壓力大于孔隙水壓力，具有表面張力的水—?dú)夥纸缑娉惺苤笥谒畨毫Φ目諝鈮毫?，這個(gè)壓力差即為基質(zhì)吸力，體現(xiàn)了土顆粒的分子引力作用和孔隙的毛細(xì)管作用，是路基土濕度狀況發(fā)生變遷的主要內(nèi)因[2]?？紤]到河網(wǎng)密布帶粘性土路基濕度受地下水控制為主，非飽和狀態(tài)土體的體積含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系可通過模型的水—土特征曲線來描述。

根據(jù)模型，對(duì)于受地下水位控制的潮濕區(qū)路基，其所選取計(jì)算點(diǎn)的基質(zhì)吸力與距離地下水位的高度密切相關(guān)，經(jīng)過回歸分析可認(rèn)為二者呈線形關(guān)系，如公式1所示。

公式中為水的重度，為計(jì)算點(diǎn)到地下水位的距離。

由于在工程實(shí)踐中飽和度較體積含水率更為直觀，并且考慮到不同的土質(zhì)對(duì)水的敏感程度不一樣，這是引起模量變化的重要因素，選取飽和度表征填料土體濕度狀況具有更廣泛的適應(yīng)性。因此根據(jù)填料土體的相對(duì)密度、干密度、質(zhì)量含水率，以及4℃水的密度，便可通過土力學(xué)中非飽和土的三相體積質(zhì)量指標(biāo)換算推導(dǎo)出飽和度的表達(dá)式：

由于，因此：

根據(jù)公式2和3，可以通過飽和度與體積含水率的關(guān)系進(jìn)一步建立飽和度與基質(zhì)吸力的水—土關(guān)系曲線。

2 平衡狀態(tài)濕度調(diào)整系數(shù)計(jì)算

對(duì)路基土的濕度預(yù)估主要是確定濕度調(diào)整系數(shù)，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下路基頂面的動(dòng)態(tài)回彈模量的折減來表征平衡狀態(tài)的工作性能。有研究表明，非冰凍地區(qū)濕度變化對(duì)于路基土模量的影響遠(yuǎn)大于季節(jié)性干濕變化。因此，可在計(jì)算出不同點(diǎn)位基質(zhì)吸力后根據(jù)水-土特征曲線得到平衡濕度下的飽和度預(yù)估值，按照如下近似的方法嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶路基濕度調(diào)整系數(shù)：

其中，。

公式中為平衡狀態(tài)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量設(shè)計(jì)值;標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量值，由動(dòng)三軸試驗(yàn)或填料值換算得來;施工階段標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的飽和度;為根據(jù)非飽和土土—水特征曲線讀取的平衡狀態(tài)下預(yù)估飽和度;當(dāng)為細(xì)粒土?xí)r，=﹣0.593 4，=0.4，=6.1324。

由于設(shè)計(jì)階段路基尚未建成，路基的平衡濕度狀況可根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告和路基平縱橫設(shè)計(jì)圖，規(guī)范中推薦的方法為分路段選擇平均高度作為代表計(jì)算點(diǎn)，通過填料類型和地下水埋深、毛細(xì)水上升高度等因素判定出平衡狀態(tài)的濕度類型，最后查表得出規(guī)范推薦的濕度系數(shù)取值范圍。但對(duì)于嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶粘性土路基，其平衡濕度狀況受地下水的影響較一般地帶路基更嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時(shí)可按上述優(yōu)化后的水-土特征曲線法和濕度系數(shù)方程進(jìn)一步定量化計(jì)算，得出更準(zhǔn)確的參數(shù)值。

3 實(shí)體工程分析與比選

廣州市二級(jí)公路S296（海鷗公路）擴(kuò)建工程位于番禺區(qū)海鷗島，周邊水田、魚塘密集，設(shè)計(jì)擬采用粘性土填筑路基，要求填料CBR≥12%，且施工狀態(tài)的飽和度為0.43，根據(jù)縱斷面設(shè)計(jì)圖，路基高于原地面2 m，瀝青路面結(jié)構(gòu)層0.89 m，交通荷載等級(jí)為中等，根據(jù)車輛荷載換算知路基工作區(qū)位于路面結(jié)構(gòu)下2.0 m，地勘資料顯示該區(qū)域地下水位于原地面下0.6 m，土質(zhì)類型以粘土和粉質(zhì)黏土為主。

該工況屬于嶺南地區(qū)典型的河網(wǎng)密布帶，干濕循環(huán)系數(shù)取0.95，由于路基頂距離地下水位的高度為1.5 m，小于粘性土毛細(xì)水上升高度3 m，路基工作區(qū)完全在毛細(xì)水浸潤(rùn)范圍內(nèi)，因此屬于潮濕類路基，計(jì)算得到基質(zhì)吸力值為21 kPa，預(yù)估計(jì)算點(diǎn)飽和度為0.48，如圖1所示。

通過填料的CBR值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式換算得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量，最終確定路基路床頂面設(shè)計(jì)回彈模量值時(shí)可采用規(guī)范查表法（分為取中值法和低路堤低值法）和上述基于水-土特征曲線的定量計(jì)算法，三者計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，規(guī)范中值法和特征曲線法所求得的回彈模量設(shè)計(jì)值大于瀝青路面二級(jí)公路中等交通荷載等級(jí)下60 MPa的要求，可取計(jì)算值，而按規(guī)范低值法求得的設(shè)計(jì)值取值應(yīng)修正為60 MPa。海鷗公路河網(wǎng)密布帶粘性土路基要使得運(yùn)營(yíng)期平衡狀態(tài)的工作性能正常發(fā)揮，應(yīng)取三者的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，即采用水-土特征曲線法計(jì)算的回彈模量值更為合理。

4 結(jié)語

本文分析和總結(jié)了在嶺南地區(qū)河網(wǎng)密布帶粘性土路基的濕度變遷規(guī)律、影響因素以及濕度調(diào)整系數(shù)的計(jì)算，在現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范的框架下提出優(yōu)化后的參數(shù)計(jì)算方法，以便設(shè)計(jì)人員明確概念，選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，具有一定的工程實(shí)踐意義。進(jìn)一步研究建議如下：

（1）現(xiàn)階段對(duì)路基濕度狀況的分析僅以環(huán)境因素為主，需進(jìn)一步分析鋪筑路面后對(duì)濕度自然變遷的覆蓋效應(yīng)，并且應(yīng)區(qū)分透水路面與不透水路面的影響。

（2）非飽和土的土—水特征曲線對(duì)于不同土質(zhì)的適用性以及基質(zhì)吸力與飽和度指標(biāo)的內(nèi)在邏輯關(guān)系仍需要繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊學(xué)良，鄒澤雄.詳論路基設(shè)計(jì)模量及其環(huán)境因素的演變和確定過程[J].公路，2016（6）：52-57.

[2]童申家，葉從，王乾.非飽和粘性路基土回彈模量之研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006（2）：225-229.

作者簡(jiǎn)介：李俊（1990—），男，湖南常德人，碩士研究生，路橋工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。