路基平衡濕度的分布規律及影響因素研究

覃宇麗 張亞芳

摘要：文章為分析不同因素對路基內部的平衡濕度分布和演化規律的影響，基于Darcy定律、Fick理論和Fourier擴散公式，采用VADOSE/W軟件，模擬了15 a內長期氣候條件下路基內部濕度平衡的動態變化過程，通過現場監測和規范計算評估了數值模擬結果的可靠性和準確性，并針對路堤高度、邊坡坡度及地下水位三大影響因素，分析路基內部土體含水量隨時間的演變規律，為路基的設計與施工提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：路基平衡濕度;路堤高度;邊坡坡度;地下水位

0 引言

路基內部濕度的變化對路基的強度、水穩定性以及車輛荷載作用下的剛度都有顯著的影響，具體表現為路基濕度過大會造成公路長期路用性能降低并損壞路基[1-2]。然而，路基濕度的變化是多因素共同作用的結果，例如：氣候環境、路基斷面形式、路基土質和地下水位等，路基濕度的預估方法與影響因素有割舍不開的聯系[3-4]。因此，掌握長期氣候作用下路基濕度平衡的分布規律及影響因素研究，能對在公路運營期間保證路基長期穩定性的設計和施工提供理論指導與技術支持。

路基濕度平衡測定常采用的方法有試驗法和數值模擬法兩種。在試驗方面，Drumm[5]等通過現場含水率勘探試驗，分析了路基的濕度狀態及變化范圍，總結出不同土質路基與水分遷移之間的變化關系;Perera[6]等通過長期的現場監測建立了不同土質的吸力與TMI之間的關系，并結合土水特征曲線預估路基土的含水率;楊果林[7]等通過不同地區路基土室內模型試驗，在不同排水邊界、不同壓實條件下，分別模擬路基在晴天、積水、降雨等因素下路基土含水率變化規律。然而采用試驗方法耗時長，難以檢測長期氣候作用下路基濕度平衡變化規律。近年來，基于濕度耦合理論的數值分析軟件逐漸運用于氣候條件下路基濕度平衡的研究，如Rajeev[8]等通過室內和現場試驗確定路基內部土體的初始濕度及濕度平衡變化規律，并采用數值模擬的計算結果與現場試驗數據結果進行對比，發現兩者所得的數據結果吻合度較高;張銳[9]等模擬了廣西10 a內氣候變化條件下包蓋膨脹土路堤濕度變化過程，并對其進行了數值模擬，分析了平衡濕度隨吸力的變化規律，以及大氣長期作用下物理處治膨脹土路堤的濕度平衡規律。

在公路建設和運營過程中，受長期自然氣候條件影響，路基濕度場是一個不斷變化的過程，路基濕度的影響因素復雜多變，不同因素對路基濕度平衡規律和濕度狀態有何影響，是值得探討的問題。為此，本文以廣西百泮二級公路改擴建工程某黏土邊坡為依托，采用數值模擬法對新建公路路基平衡濕度進行預估研究，分析路基長期濕度場演化規律，通過現場監測和規范計算對比評估路基內部濕度平衡分布規律的數值模擬結果，并探討路堤高度、邊坡坡度和地下水位對路基平衡濕度的影響。

1 濕熱耦合計算理論

大氣通過降雨和蒸發頻繁地與路基內部和表面進行著水熱交換，其產生的水熱梯度驅使水、汽在路基內部遷移，從而改變路基的濕度狀態。這一過程是濕熱耦合的過程，可以采用非飽和土濕熱耦合計算理論進行分析[10]。

非飽和土中液態水的流動遵循Darcy定律，水蒸氣的擴散遵循Fick理論，熱傳導遵循Fourier擴散公式，因此，分別考慮液態水流動、平流過程中產生水蒸氣擴散以及熱傳導的非飽和土的水熱耦合的控制方程為：

基于上述濕熱耦合理論就可以建立路基濕度數值計算方法，在長期氣候條件下（降雨量、氣溫、相對濕度、風速等）對路基平衡濕度變化規律進行建模和計算。

2 路基平衡濕度的分布規律

2.1 數值模型的建立

根據廣西百泮二級公路擴建工程某黏土邊坡建設實際狀況，通過現場調研選取數值計算的幾何模型為：路堤高度為8 m，路堤頂面寬9 m，地基厚度為5 m。由于路基橫斷面為對稱結構，因此為簡化計算，選取路基中線右側建立模型，并以A點作為分析特征點。路基計算模型和網格劃分如圖1所示。

為全面了解路基在建成通車多年后內部土體的平衡濕度，通過室內外試驗獲取路基土的基本物理力學指標、土水特性和滲透特性參數，對大氣及地下水作用下的路基在路堤高度、邊坡坡度和地下水位單因素變化情況下路基內部土體的路基平衡濕度分布規律進行探討，設置如下三種數值模擬計算方案來對路基邊坡內部土體平衡濕度的變化規律進行模擬。主要數值模擬方案如表1所示。

通過氣象站獲得該地區2016—2017年全年的降雨量、風速、氣溫、相對濕度等氣象數據的變化曲線如圖2所示。為研究長期氣候作用下路基濕度平衡演化規律，假定計算周期為15 a，并假設每年的氣象變化一致。

2.2 路基平衡濕度變化規律

路基內部濕度在氣候條件的長期作用下變化比較明顯，下頁圖3為15 a內路基內部飽和度的變化云圖。初始狀態時，路基內部的飽和度相對較低，且濕度分布比較均勻。經過1 a的氣候以及地下水的影響，此時路基內部的整體飽和度較初始狀態時有了一定程度的提高，路面結構層以下的路基土飽和度從上到下逐漸升高，且在邊坡表層一定深度內的路基土飽和度比路基內部飽和度低。3 a后，路基內部的飽和度仍然在變化，并逐步趨于穩定。經觀察5 a后和15 a后的濕度場變化情況不難發現，路基內部土體的飽和度基本上不再受到氣候條件及地下水作用的影響，飽和度已經趨于穩定，這說明濕度的變化經歷快速上升、緩慢增加和濕度平衡三個階段，3～5 a內路基內部的濕度達到了平衡狀態。當路基內部的濕度達到平衡狀態時，路基土體的整體飽和度會比初始狀態時的整體飽和度有所提高，降雨入滲和地下水位的升高使路基土的濕度增加。同時，越接近地下水位線，土體的飽和度越高，地下水位變化對路基內部濕度的影響要強于降雨入滲對路基濕度的影響。

2.3 路基濕度預估比對

[JP3]布設距地下水位不同高程的5個觀測點，以現場監測測點的質量含水率，以及計算規范預估[11]的飽和度為研究對象，與數值模型結果進行路基平衡濕度的變化規律的預估比對，結果見表2。數值模擬計算所得的路基濕度值在規范預估值的范圍內，與范圍值相差不到5%，滿足規范計算精度。模擬計算所得值與現場監測的數據相差不大，說明了采用數值模擬預估15 a內濕度平衡變化規律具有較高的準確性和可靠性。

3 路基平衡濕度影響因素分析

3.1 路堤高度對路基平衡濕度的影響

由圖4可知，當路堤高度分別為5 m、8 m和10 m時，路基分別運營3.16 a、4.15 a和5.38 a后內部A點處濕度分別達到平衡狀態。因此可以看出，路基高度不同，內部點達到濕度平衡狀態的時間也不相同，即路基高度越高，路基內部點達到濕度平衡狀態所用的時間越長;路基高度越低，內部測試點達到濕度平衡狀態所需時間也就越短，且不同路基高度下的A點平衡濕度是一致的。當路基高度增加后，路基內部土體達到平衡濕度時地下水位上升高度也增加。[JP4]因為，在路基邊坡坡度保持一定的情況下，提高路基高度，路基邊坡坡長相應變長，在相同時間內，大氣降雨和蒸發等自然因素對路基內部土體濕度的影響越大，降雨入滲的雨水不斷補給上升的毛細水，且在降雨入滲條件下，坡腳處積水迅速地滲入到路基中，進而導致地下水上升。

3.2 邊坡坡度對路基平衡濕度的影響

路基邊坡坡度不同，路基內部土體達到濕度平衡狀態所需時間不同。如圖5所示，坡度為1∶1.75時，路基內部達到濕度平衡狀態所需的時間最短，坡度1∶1.5次之，坡度1∶1最長。換言之，路基邊坡坡度越緩，路基內部達到濕度平衡狀態所需的時間越短;坡度越陡，路基內部達到濕度平衡狀態所需時間越長，且對土樣含水量的影響也就越大。坡度為1∶1.75時A點平衡濕度為37.7%，坡度為1∶1.5時A點平衡濕度為37.6%，坡度為1∶1時A點平衡濕度為37.5%，路基邊坡坡度對平衡濕度影響不大，只對平衡時間有影響。這是因為路基邊坡坡度越緩，坡面受大氣降雨影響的入滲面越大，且大氣降雨在坡面的停滯時間越長，從而使緩坡在大氣降雨過程中所積累的水分較陡坡更多。其次，在氣候因素的影響下，緩坡坡面受溫度、風速等作用的面積較大，其路基土體溫度上升也比陡坡明顯。

3.3 地下水位對路基平衡濕度的影響

如圖6所示，隨著時間的推移，A點體積含水量逐漸增加，當增加到一定含水量時將趨于穩定狀態，且A點越接近地下水位，增長趨勢就越明顯。初始地下水位不同，路基內部土體達到平衡狀態所需的時間也不相同，初始地下水位越高，路基內部土體達到濕度平衡狀態所需的時間越短，初始地下水位越低，路基內部土體達到濕度平衡狀態所需的時間越長。地下水位越高，A點平衡濕度越大，地下水位越低，A點平衡濕度越小，即B2點平衡濕度：地下水1 m>地下水2 m>地下水3 m。這是由于地下水在毛細作用的影響下進入路基，使路基土含水量增大直至達到平衡狀態。初始地下水位不同，路基土毛細作用上升到路基內部同一層位所需時間不同，越接近初始地下水位，各測點路基土毛細作用上升到同一層位所需時間越短，且達到該層位的路徑也越短，否則相反。路基填土均為非飽和土，路基土毛細作用主要來自非飽和土的基質吸力的作用，在毛細作用的影響下，地下水向路基內部遷移，縮短了毛細作用的路徑，路基內部土體濕度逐漸增加，可以看出，地下水位上升和下降對毛細作用有著顯著的影響。

4 結語

（1）受長期氣候因素的影響，路基整體濕度隨降雨入滲和地下水位抬高而增加，濕度的變化經歷快速上升、緩慢增加和濕度平衡三個階段，3～5 a內路基內部的濕度達到了平衡狀態。當路基內部的濕度達到平衡狀態時，路基土體的整體飽和度會比初始狀態時的整體飽和度有所提高。數值模擬計算所得的路基濕度與規范計算和現場監測的平衡濕度接近。

（2）[JP3]路基高度越高，路基內部點達到濕度平衡狀態所用的時間越長，路基高度越低，達到濕度平衡狀態所需時間越短。路基高度不同，中心點平衡濕度相同。[JP2]

（3）邊坡坡度越小，達到濕度平衡狀態所需的時間越短，坡度越大，達到濕度平衡狀態所需的時間越長，且對土樣含水量的影響越大。路基坡度對內部土體平衡濕度影響不大。

（4）初始地下水位不同，路基內部土體達到平衡狀態所需的時間不相同，初始地下水位越高，其達到濕度平衡狀態所需的時間越短，平衡濕度越大。

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