干線公路全風化花崗巖路基濕度場變化分析★

劉展瑞 張 潭 張 鵬 李宜航

(1.廣西壯族自治區玉林公路管理局，廣西 玉林 537000；2.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006；3.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410004)

全風化花崗巖具有吸水能力強，組織松散等特點[1，2]，其力學性能隨含水率的增加逐漸衰減[3，4]，在施工時要妥善處理，尤其要注意坡面與坡腳的防護[5]。趙文斌[6]對全風化花崗巖材料的水泥改良工藝開展研究，獲得了滿足高速公路填料要求的填料配合比。方聰等[5]研究了湖南省花崗巖殘積土的填筑工藝，得到了最佳壓實施工工藝。梁為邦[7]對勐堆水庫工程所在的風化花崗巖地基的物理力學性質、長期穩定性、壩體動力特性，穩定性等進行了研究。研究表明:該地區周邊的花崗巖風化砂作為分區壩填筑料使用均是可行的。張永波等[8]研究了全風化花崗巖路基填土的淺層地基承載力與含水量的關系，研究結果表明，淺層地基的承載力隨地基含水率的增加而逐漸降低。當工程途經全風化花崗巖軟基地質區域時，其路基內部性能變化更加復雜[9]，路基建成后，隨著時間變化，受氣候等因素影響，路基含水率逐漸增加到一個穩定的狀態，即平衡濕度[10，11]， 在此過程中路基填料力學性能隨之改變，進而引起路基路面的不均勻沉降。綜上，為保證所依托項目工程的路基穩定，探究全風化花崗巖路基內部含水率演變規律十分必要。

1 工程概況

依托廣西玉林某干線公路，某斷面A土樣的相關試驗表明，該路段全風化花崗巖多數試樣有65%～75%之間的2 mm篩通過率，同時有著40%左右的0.075 mm篩通過率；試樣最大干密度1.86 g/cm3，液限為40.6%，塑限為20.8%，屬低液限黏土砂；天然含水率為20.4%，最佳含水率為12.78%，填筑時選擇達到最大干密度的含水率16.08%。路基填方高度11 m，其中93區 9.5 m，94區 0.7 m，96區0.8 m，地下水位于路基坡腳下 2 m深處，坡腳外1 m修筑漿砌片石排水溝，深度0.8 m，選取路基下方計算深度為10 m。

2 路基濕度場計算模型

使用GeoStudio軟件中的VADOSE/W模塊，對斷面A在復雜環境下的地下水滲流問題進行分析。

2.1 假定與邊界條件

1)土的水力性質：利用適用于粉土，砂土等中等地質壤土的Arya-Paris模型建立依據土粒徑分布與干重度的土—水特征曲線的物理經驗模型[12,13]。確定擬合曲線的具體工作為：推導體積含水率；得出孔隙半徑與土粒粒徑的聯系；確定基質吸力與孔隙半徑的關系，之后可得到土—水特征曲線。相關人員采用壓力板法計算并得到了干密度為1.58 g/cm3的風化花崗巖土樣的土—水特征曲線，驗證了該預測曲線的適用性。通過靜壓法得到兩種土的飽和滲透系數，采用Van Genuchten模型預測非飽和滲透系數。

擬合曲線預測包括相關地基土、路基土的水力性質參數，兩種土的土—水特征曲線及滲透系數曲線如圖1所示，兩種土的數據十分接近但仍有差別。

2)毛細與蒸發作用：本模型考慮毛細與蒸發作用對路基土濕度場的影響。

2.2 路基模型建立

2.2.1路基模型參數

選取路基中心線右側建立模型，圖2中A1～C4各點為不同位置的含水率監測點，A組各點位于路面下方1 m，沿水平方向距離路基中線2 m,7 m，12 m；B組各點位于路面下方5 m，沿水平方向距離路基中線2 m,7 m,12 m,19 m；C組各點位于路面下方9 m，沿水平方向距離路基中線2 m,7 m,12 m,24 m。具體尺寸見圖2。

2.2.2路基模型邊界條件

根據地質勘探資料，設置如下邊界條件：

1)初始溫度邊界條件：地基20 ℃、路基23 ℃、路面27 ℃；

2)初始地下水位：地下水位位于邊坡坡腳下2 m處；

3)邊界條件：地基、分隔帶，邊坡設置氣候邊界條件，路面設置不透水邊界條件。

2.3 濕度場模型建立

1)土的熱力學性質參數；路基路面各層材料的導熱系數和比熱值如表1所示。

表1 各材料的熱力性質參數

2)氣象參數：氣候參數均取自中國氣象數據網并推測出工后12年的相關參數：日最高最低氣溫、最高最低相對濕度，日均風速，日均降雨量、蒸發量與日照平均時數，限于篇幅本文僅給出相對更重要的溫度與濕度數據，見圖3。

3 計算結果與分析

3.1 路基內部水平方向濕度變化及分析

路基內各深度水平方向監測點位置的質量含水率隨時間變化曲線如圖4所示。

由圖4可以發現：1)圖4a)中A1和A3點的含水率由于降雨及蒸發而隨時間呈現大幅度上下波動的趨勢，且A1點的波動程度更大，這是由于A1處于中央分隔帶下方，降水會被及時排除，而A3點處于坡面下方，降水會從坡面直接下滲。A2點水分來源主要來自路面面層的少量滲水及包括毛細水上升在內的水分遷移所致，含水率先隨著時間增大，而后在17.5%～18.5%的范圍波動。2)圖4b)中B各點的含水率變化規律同A2,A3點，呈現出先增大后小范圍內波動的趨勢。相對應的，位于邊坡下方的B4點的質量含水率曲線與A3點相似，但振幅較輕。3)圖4c)中各點質量含水率變化曲線與圖4b)相應點的曲線相似，C4點振幅較B4點進一步減輕。

3.2 路基內部豎直方向濕度變化及分析

路基內豎直方向各監測點位置的含水率隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，路基內部達到平衡濕度狀態的時間隨深度減小，B，C深度的路基通常在3-4a達到該狀態，且達到平衡濕度狀態時，C1點的含水率(19.5%)高于B1點(18.2%)，因為B1點處于地下水位與降水滲入兩因素綜合影響程度最小的深度，圖5c)也可以同樣得出此結論。由圖5b)可以得出：在同一縱斷面內隨著深度的增加，地下水的影響程度在增強，路基土內部的質量含水率在逐漸增大。

由圖4，圖5能夠得出：自路基完工后，路基土含水率受到氣候因素影響隨時間增長呈現逐漸增大趨勢，并最終達到平衡濕度，且大于路基的設計含水率。同一水平面內，路基內部的質量含水率由路基中心線向路基邊緣處逐漸增大，說明中央分隔帶對其下方的路基土起到了很好的排水保護作用，最大程度的降低了氣候因素的影響；受到降水、蒸發，風化等氣候影響，邊坡路基土體含水量變化范圍大，由A3，B4,C4點的位置可知，影響深度至少為2 m；同一縱斷面，由于地下水影響增大，路基土體含水量隨深度增加而增大。

4 結語

結合工程實際，利用GeoStudio建立路基內部濕度場分析模型并計算工后運營期內的路基含水率變化曲線，得到路基內部濕度演變規律，為邊坡與邊溝的防排水設計提供一定的依據。1)降水與地下水是影響全風化花崗巖填料路基含水率的主要因素，路基建成后在3-4a內達到平衡濕度狀態。 2)同一水平面方向內，路基土含水率由中心線向兩側逐漸增大，中央分隔帶顯著降低氣候對其下方路基土濕度影響的程度，而氣候因素對邊坡坡面以下深度至少為2 m內的路基土影響較大；行車道下方路基含水率增長幅度較小，有利于維持路基長期性能。3)同一豎直面方向內，路基土含水率隨深度的增加而逐步增大，因為地下水位的變化對路基內部濕度的變化影響程度逐漸增大，且降水蒸發等氣候因素影響逐漸減小，地下水至少主導水位線以上4 m厚度的路基土含水率變化。4)本文僅使用數值模擬的方法對一定高度與地質氣候條件的路基進行研究，后期仍需對不同填筑高度、地質氣候等條件下路基進行研究，以更好的指導防排水設計。