嶺南地區河網密布帶路基濕度調整系數預估方法研究

摘 要：探討了路基濕度狀態的變遷、影響因素及路基設計、施工、運營階段的關系，通過非飽和土力學理論闡述了基質吸力對于路基濕度的影響，利用土的三項指標推導了飽和度與體積含水率的關系，基于模型進一步建立了飽和度和基質吸力的特征曲線。根據嶺南地區特點提出了濕度調整系數的近似計算方法。研究表明，嶺南地區河網密布帶路基在運營期的平衡濕度狀態多為受地下水控制的潮濕狀態，路基土類和地下水埋深是重要影響因素，采用經過飽和度換算的水-土特征曲線計算的路基濕度調整系數相比于規范查表法偏大，對設計的回彈模量值偏嚴格。

關鍵詞：河網密布帶;濕度調整系數;水—土特征曲線;飽和度;回彈模量

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A

0 引言

我國嶺南地區大多呈現出高溫多雨、河網密布，地下水埋深淺，土質較細，毛細現象明顯的特點，在這樣特殊的水熱環境中設計路基，必須對運營階段的路基濕度狀況進行合理的預估，以便選取合理的路基頂面動態回彈模量值來保證對路面結構的有效支撐，其取值大小對路面結構的疲勞壽命、路基施工的壓實控制標準等有著直接的影響[1]。近些年，國內外廣大學者采用非飽和土力學基本理論，采用基質吸力的概念對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，相關設計規范也吸收了大量成熟的研究成果，得以讓公路設計者以一個動態的視角把握路基全壽命工作狀態，特別是濕度狀態的變化規律，最終形成了技術參數供設計人員選取。但現行公路路基設計規范針對影響路基動態回彈模量最重要的濕度調整系數給定的取值范圍比較廣泛。這種差異在嶺南地區河網密布帶可能會導致對路基濕度狀況預估不足，使得運營階段路基回彈模量隨含水量增多而迅速衰減，以至于無法達到路面設計時對土基變形的控制要求，最終造成路基路面受力變形不協調而產生結構損傷。

所以，如何從設計的角度針對嶺南地區河網密布帶的水文地質特點，充分考慮運營期濕度對粘性土路基的影響，是保障道路按設計預估狀態正常工作的關鍵。

1 路基設計狀態和水-土特征曲線方程

1.1 路基設計狀態

路基從設計到通車運營期間經歷了設計狀態、施工狀態和使用狀態，根據路基的功能，設計狀態應與使用狀態保持一致。但路基施工是在最佳含水率和最大干密度的狀態下分層壓實而成，此時處于最佳濕度狀態。通車運營后，在當地降雨、蒸發、地下水等作用下路基內部會產生新的水分遷移和濕度重分布，工程經驗表明含水量會增大5%至10%，并在施工完后2至3年達到平衡，此時路基處于平衡濕度狀態。這種濕度的影響最終在結構設計中體現在路基動態回彈模量的衰減上，因此需要在設計階段進行考慮。

1.2 水-土特征曲線方程

嶺南地區多為沖積平原或濱海相沉積物，修筑路基一般以填筑路堤為主，填料多為工程性質良好的粘性土，結構上屬于重塑后再壓實的三相非飽和土。

根據非飽和土力學理論，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—氣分界面承受著大于水壓力的空氣壓力，這個壓力差即為基質吸力，體現了土顆粒的分子引力作用和孔隙的毛細管作用，是路基土濕度狀況發生變遷的主要內因[2]。考慮到河網密布帶粘性土路基濕度受地下水控制為主，非飽和狀態土體的體積含水率和基質吸力的關系可通過模型的水—土特征曲線來描述。

根據模型，對于受地下水位控制的潮濕區路基，其所選取計算點的基質吸力與距離地下水位的高度密切相關，經過回歸分析可認為二者呈線形關系，如公式1所示。

公式中為水的重度，為計算點到地下水位的距離。

由于在工程實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對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性。因此根據填料土體的相對密度、干密度、質量含水率，以及4℃水的密度，便可通過土力學中非飽和土的三相體積質量指標換算推導出飽和度的表達式：

由于，因此：

根據公式2和3，可以通過飽和度與體積含水率的關系進一步建立飽和度與基質吸力的水—土關系曲線。

2 平衡狀態濕度調整系數計算

對路基土的濕度預估主要是確定濕度調整系數，通過對標準狀態下路基頂面的動態回彈模量的折減來表征平衡狀態的工作性能。有研究表明，非冰凍地區濕度變化對于路基土模量的影響遠大于季節性干濕變化。因此，可在計算出不同點位基質吸力后根據水-土特征曲線得到平衡濕度下的飽和度預估值，按照如下近似的方法嶺南地區河網密布帶路基濕度調整系數：

其中，。

公式中為平衡狀態下路基動態回彈模量設計值;標準狀態下路基動態回彈模量值，由動三軸試驗或填料值換算得來;施工階段標準狀態下的飽和度;為根據非飽和土土—水特征曲線讀取的平衡狀態下預估飽和度;當為細粒土時，=﹣0.593 4，=0.4，=6.1324。

由于設計階段路基尚未建成，路基的平衡濕度狀況可根據地質勘測報告和路基平縱橫設計圖，規范中推薦的方法為分路段選擇平均高度作為代表計算點，通過填料類型和地下水埋深、毛細水上升高度等因素判定出平衡狀態的濕度類型，最后查表得出規范推薦的濕度系數取值范圍。但對于嶺南地區河網密布帶粘性土路基，其平衡濕度狀況受地下水的影響較一般地帶路基更嚴重，設計時可按上述優化后的水-土特征曲線法和濕度系數方程進一步定量化計算，得出更準確的參數值。

3 實體工程分析與比選

廣州市二級公路S296（海鷗公路）擴建工程位于番禺區海鷗島，周邊水田、魚塘密集，設計擬采用粘性土填筑路基，要求填料CBR≥12%，且施工狀態的飽和度為0.43，根據縱斷面設計圖，路基高于原地面2 m，瀝青路面結構層0.89 m，交通荷載等級為中等，根據車輛荷載換算知路基工作區位于路面結構下2.0 m，地勘資料顯示該區域地下水位于原地面下0.6 m，土質類型以粘土和粉質黏土為主。

該工況屬于嶺南地區典型的河網密布帶，干濕循環系數取0.95，由于路基頂距離地下水位的高度為1.5 m，小于粘性土毛細水上升高度3 m，路基工作區完全在毛細水浸潤范圍內，因此屬于潮濕類路基，計算得到基質吸力值為21 kPa，預估計算點飽和度為0.48，如圖1所示。

通過填料的CBR值可根據經驗公式換算得到標準狀態下路基動態回彈模量，最終確定路基路床頂面設計回彈模量值時可采用規范查表法（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算法，三者計算結果如表1所示。

由計算結果可知，規范中值法和特征曲線法所求得的回彈模量設計值大于瀝青路面二級公路中等交通荷載等級下60 MPa的要求，可取計算值，而按規范低值法求得的設計值取值應修正為60 MPa。海鷗公路河網密布帶粘性土路基要使得運營期平衡狀態的工作性能正常發揮，應取三者的最大值進行設計控制，即采用水-土特征曲線法計算的回彈模量值更為合理。

4 結語

本文分析和總結了在嶺南地區河網密布帶粘性土路基的濕度變遷規律、影響因素以及濕度調整系數的計算，在現有技術規范的框架下提出優化后的參數計算方法，以便設計人員明確概念，選取合適的設計參數，具有一定的工程實踐意義。進一步研究建議如下：

（1）現階段對路基濕度狀況的分析僅以環境因素為主，需進一步分析鋪筑路面后對濕度自然變遷的覆蓋效應，并且應區分透水路面與不透水路面的影響。

（2）非飽和土的土—水特征曲線對于不同土質的適用性以及基質吸力與飽和度指標的內在邏輯關系仍需要繼續深入研究。

參考文獻：

[1]楊學良，鄒澤雄.詳論路基設計模量及其環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].巖土工程學報，2006（2）：225-229.

作者簡介：李俊（1990—），男，湖南常德人，碩士研究生，路橋工程師，從事路橋設計工作。