簡述水對路基路面穩定性的影響和控制方法

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，路基路面的強度和穩定性，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，出現翻漿、塌陷等現象，繼而導致上部結構破壞，出現凍害、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，從而提高道路質量。

1 水的入滲作用機理

1.1 理化作用

一是化學侵蝕作用。在地下水的侵蝕下，會對裂隙結構中的石英顆粒產生溶蝕性，和鐵元素結合產生氧化反應，以碳酸鹽質巖體為例，化學反應式如下：

二是物理弱化作用。水對斷層和裂縫帶的巖土會產生軟化、泥化效應，隨著含水率的變化，巖土體由固態變為塑態、液態，降低了巖土體的力學性能，尤其是減小了內聚力和內摩擦角。

1.2 力學作用

一是靜水壓力（Ps），是地下水在裂隙結構面上形成的法向應力，其力學作用包括兩個方面：①裂隙結構發生拉-張擴展作用，促使隙寬加大；②裂隙結構面發生剪切延展，裂隙的延伸長度增大。計算公式如下：

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，地下水的運動對結構面、充填物產生的作用力，作用方向和地下水流動方向相同，其力學作用包括三個方面：①裂隙結構面和充填物發生位移變形，促使裂隙擴展；②隨著裂隙增大，空隙度、透水性加大，滲透速度加快；③當滲透速度足夠大時，會將細小顆粒管涌攜帶出去。計算公式如下：

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

1.3 遇水軟化作用

巖土體和結構面雨水的軟化作用，主要是強度軟化，結合非飽和土抗剪強度τ的表達式，計算公式如下：

式中C’、φ’代表飽和土的有效粘聚力、內摩擦角；σf代表破壞面上的法向總應力；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力；τu代表基質吸力附加強度，計算方式是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，導致非飽和土體的抗剪強度軟化，引起地面沉降變形。

2 路基含水率原位監測試驗

2.1 工程案例

以我國某高速公路為例，位于廣州中心城區，路基寬度為 32m，采用雙向六車道標準建設，是城區東西方向的公路交通主干。本次路基含水率監測試驗，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；基層為水泥穩定碎石，厚度為50cm；墊層為級配碎石，厚度為15cm；路基為砂質粘土。

2.2 監測設備

該公路日常交通量大，為了減少對交通的影響，將傳感器設置在路肩范圍內。其中監測設備如下：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手段，該設備操作簡單，具有無損、連續、定點監測的優勢，主要用于粘土、粉土、砂性土中，其數據結果能滿足含水率監測的精度要求。②TDR-3傳感器，以ABS工程塑料作為支撐，具有密封性好、穩定性高、耐久性強的特點。采用不銹鋼探針，長度為70mm，量程在0-100%，精度為±2%，計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，能實現數據采集，并利用計算機軟件進行計算、生成報表。

2.3 布設方法

試驗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3支TDR-3傳感器，埋設點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，根據監測數據生成路基含水率增量-時間曲線圖。

圖1 TDR-3傳感器的埋設位置示意圖

2.4 試驗結果

2.4.1 降雨對路基含水率的影響

分析監測結果如下：①4月1日-5月1日，三支傳感器的測試結果變化不大，原因在于降水量少，沒有出現大雨或連續降雨的情況，因此路基土體的含水率變化小。經過長時間的非雨季，此時路基土濕度處于穩定狀態。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#傳感器的監測結果增幅分別為 6%、8%、8%。③6月15日到9月30日，在連續降雨、暴雨的影響下，2#、3#傳感器的監測數據波動明顯，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，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，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，含水率變異系數最小為8月、最大為7月。

表1 路基土體積含水率統計結果

3 水對路基路面穩定性的影響

3.1 對路基的影響

一是碾壓不密實。如果路基不滿足最佳含水量的要求，在碾壓作業期間，使用重型機械會導致土體出現裂縫，降低了土體強度。而且，隨著土體含水率的增高，會產生凍脹現象。數據顯示，實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。當路基填筑以后，內部水分蒸發，土體發生收縮形變，增加了密實度，出現縱向裂縫和橫向裂縫，最終導致路堤沉陷。此外，水分蒸發時，邊坡兩側蒸發速度快、中部蒸發速度慢，因此兩側形變大、中間形變小，導致路基產生裂縫。

3.2 對路面的影響

一是降低結構承載力。降雨時，水分會沿著空隙進入路面，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構，降低了路面強度，產生結構變形、脫空等問題。二是發生翻漿和凍脹。在凍融作用下，水的侵入會降低路基路面的穩定性，此時路基上層凍結，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 加強排水系統設計

道路施工和使用中，完全避水不可能，應該通過排水設施及時排出水體。排水系統設計時，應該考慮地形、地質、水文、氣象、公路等級等要素，并且結合路基路面排水要求，實現排水構造和設施的有效銜接，促使路基防護、路面排水形成一個整體。以排水溝渠為例，設計要點如下：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，實現就近分散、及時疏散的目標。第二，排水溝渠應該和附近的農田水利相配合，必要時可以增大管涵的孔徑。第三，路基邊溝要獨立使用，作為農田灌溉用途時，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的地表水，避免發生下滲、漫流、積水等現象。

4.2 針對不同路段控制

第一，填方路段。合理選擇填筑材料，要求強度高、水溫穩定性好，常見如砂性土。而且填料中的粗細顆粒比例均勻，既保證較高強度，又增強粘結力，有利于壓實作業。第二，挖方路段。施工期間設置截水溝，避免水體沖刷邊坡，提高邊坡穩定性。針對滑坡現象，應該通過試驗測定邊坡土質的密實度、含水量，制定有效的防護措施。第三，軟土地基路段。采用換填土層法提高路基強度，在路基外設置排水溝、盲溝，避免水體浸泡路基。調整路槽后，還要加強路基養護工作，保證兩側排水通暢，防止沖刷邊坡。

5 結語

綜上所述，在道路工程中，水會造成路基碾壓不密實、沉降量大；降低了路面結構承載力，發生翻漿和凍脹現象。分析可知，水體對路基路面的影響，作用原理包括理化、力學、遇水軟化等作用。文中結合工程案例，進行路基含水率原位監測試驗，提示施工企業加強排水系統設計，針對不同路段進行控制，從而避免或減輕水體的不利影響，提高道路工程質量。

[1] 王計冬.水對路基路面穩定性的影響和控制方法[J].交通世界（下旬刊）,2016,(6):42-43.

[2] 游元富.道路橋梁過渡段的路基路面施工技術探析[J].江西建材,2015,(6):176-176.