壓實度對高速公路路基粗粒土水力特性的影響

司馬軍

(湖南宏特試驗檢測有限公司， 湖南 長沙 410118)

由粗土和細土(粉土和黏土)混合而成的路堤廣泛應用于高速公路基礎設施中。根據JTG B01-2003《公路工程技術標準》，細料占干重的比例小于30%，路堤主體壓實度大于92%。在高速公路使用壽命期內，雨天可能會有水從上部路面板裂縫流入路堤，影響其使用性能，這是因為粗粒土的力學性質很大程度上依賴于含水量。因此，確定路堤中水分分布非常必要，這就需要了解粗粒土的水力特性。壓實度和細粒含量是影響粗粒土水力特性的主要因素。而目前對壓實度對高速公路路堤粗粒土影響的研究鮮見。該文采用大型滲透柱測定不同壓實度粗粒土的水力性質，采用瞬時剖面法得到水工建筑物的水工系數，并計算其導水率，分析壓實度的影響。

1 試驗材料

研究路段為冷水江—新化公路，起止樁號為K4+230—K13+009.5，全長8.779 5 km。以該路段的白云巖和細粉為原料配制試驗土，并作為模型的填料。土體中細粉含量(粒徑≤0.075 mm)為15%，土體顆粒最大粒徑為60 mm。出于實際原因，將直徑大于20 mm的土壤切斷。這些土壤的粒度分布見圖1。對土樣進行標準土壤壓實試驗，結果顯示：在最佳含水量為6%時，最大干密度為2.33 g/cm3。

2 試驗程序

采用大型滲透柱(見圖2)測定不同壓實度粗粒土的水力性質。滲透柱的內徑為300 mm，壁厚為10 mm，高度為600 mm。配有5個體積含水量傳感器(TDR1～TDR5)和5個基質吸入傳感器(T1～T5)，以100 mm等距布置。頂部鉆一個直徑為50 mm的孔，以便在需要時安裝吸入傳感器。中心的第二個孔允許排水或排氣。TDR傳感器由3根桿組成，直徑6 mm，長度200 mm，精度2%。試驗前進行TDR定標，確定介電常數Ka與體積含水量θ之間的關系，試驗過程中通過測定的介電常數Ka確定體積含水量。試驗采用2100F型張力計，其工作壓力為0～100 kPa，精度為±2 kPa。

圖1 研究土壤的粒度分布

圖2 滲透柱示意圖(單位：mm)

將土壤烘干24 h，確保土壤完全干燥；在干燥的土壤上噴灑一定量與最佳含水量相對應的水，再將濕潤的土壤密封72 h，使其均勻化。將制備好的土逐層壓實成柱狀，共6層，前5層每層高度為100 mm，第6層高度為150 mm。壓實度分別為85%、90%和93%，3種壓實度土樣分別記為D85、D90和D93。一層壓實完成后，在該層頂部以90°的交叉角安裝TDR探頭和張力計，TDR1～TDR5、T1～T5距離底座的高度分別為100、200、300、400和500 mm。

壓實后，試樣經歷水分均勻化、飽和、排水、蒸發4個階段，在這些階段的開始記錄TDR探針和張力計的響應。水分均勻化持續50 h。隨后將水從底部注入柱中，啟動飽和過程，在1 h后在試樣頂部能觀察到水。24 h后形成恒定流，認為試樣完全飽和，得到飽和導水率。然后對試樣進行另一次水分均勻化。最后將試樣置于排水和蒸發階段，這個階段需要165 h。在排水階段，打開閥門排水，每級排水300 mL。蒸發階段采用風機加速，張力計T5達到50 kPa時蒸發階段結束。

3 試驗結果與分析

3.1 體積含水量和基質吸力的變化

由于4個階段的體積含水量和基質吸力的變化對所有土樣都是相似的，選擇D85的結果(見圖3)進行分析。

圖3 D85土樣的體積含水量和基質吸力

由圖3可知：開始時，TDR測量的體積含水量無明顯變化，說明水分沿水平方向分散，沒有沿垂直方向的擴散趨勢，這可能是由壓實過程中的不均勻性造成的；在飽和階段，體積含水量在不到1 h的時間內增加到29.5%～30.6%，之后由于土樣處于飽和階段，體積含水量保持相對恒定；在排水和蒸發過程中，體積含水量大幅下降，直至達到一個常數。基質吸力則呈相反的趨勢。當該層含水量變化較大時，應特別注意TDR5和T5的變化。

3.2 壓實度對SWCC的影響

不同壓實度土樣的土壤-水分特征曲線(SWCC)見圖4。

圖4 不同壓實度土樣的SWCC曲線

采用van Genuchten模型通過SWCC曲線進行擬合，擬合模型見式(1)，擬合參數見表1，擬合結果見圖4。

(1)

式中：θ、θr、θs分別為體積含水量、殘余含水量和飽和含水量，這里假設θr=0；ψ為基質吸力；α為與空氣進入值相關的參數；n為與儲水量相關的參數，m=1-1/n。

表1 van Genuchten模型參數

從圖4可以看出： D85土樣的飽和含水量高于D90、D93土樣。這是因為隨著壓實度的增加，毛孔特別是大毛孔的體積變小。對于下降范圍內的SWCC，壓實度越高的試樣該曲線越平坦。說明SWCC在下降范圍內的形狀主要與細顆粒的壓實狀態有關，較高的壓實度會導致細顆粒呈致密狀態。

3.3 壓實度對導水率的影響

同時測量含水量和吸力，獲得不同時刻的含水量和吸水剖面，采用瞬時剖面法確定導水率。先通過吸力剖面按式(2)計算一定高度的水力坡降i，再利用含水量剖面按式(3)計算Δt時間內通過一定高度的水通量Q，最后按式(4)計算某一時刻某一高度的導水率k。圖5為不同壓實度土樣的導水率。

(2)

式中：H為從吸入剖面獲得的液壓頭；x為從柱底部開始的高度。

(3)

式中：L為柱的高度；A為柱的橫截面積。

(4)

式中：it、it+Δt分別為t和t+Δt時的水力梯度。

圖5 不同壓實度土樣的導水率

從圖5可以看出：D85土樣的飽和電導率最高，這主要是因為密實度較低的土樣存在較多的大空隙，這些大空隙是水通過的主要通道。在非飽和導水率方面，數據相互交織，差別不大，壓實度的影響很小。

4 結論

考慮85%、90%和93%的壓實度，采用大型滲透柱分析壓實度對粗粒土水力性質的影響。結論如下：1) 較高的壓實度使SWCC曲線更平坦，這種現象與細顆粒的致密狀態有關；2) 壓實度較低土體的飽和導水率較高，可能是因為壓實度較低土體的空隙更大。壓實度對非飽和電導率的影響不大。