黄土地区半填半挖式路基模型试验研究
时间：2023-02-17 17:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
万 琪，晏长根，张晓鸣,3，杨晓华，包 含
(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710000；
2. 广东交科检测有限公司，广东 广州 510550；
3. 巩义市住房和城乡规划建设局，河南 巩义 451200)
路基水害一直是陇东黄土地区公路建设面临的难题。黄土塬上沟壑纵横，将不可避免遇到大量由水流冲刷等形成的“V”型、“U”型狭长冲沟或河道。当路线跨越该地形时，填土路基将与原地面形成半填半挖这一特殊又广泛的路基形式。冲沟内常年排水不畅且地下水位高，致使土层湿度不断变化，在交通荷载耦合作用下，容易发生路基沉降变形、路面开裂、甚至边坡滑移等病害[1-2]。因此，如何有效阻隔冲沟内毛细水的侵入，保证路基内部湿度稳定，是该异型路基结构长期稳定的关键。目前针对半填半挖路基的研究主要集中于路基变形与差异沉降控制[3-6]，普遍忽视路基内部防排水的研究。
国内外学者在路面基层和垫层排水方面已开展大量研究。刘毓氚等[7]提出一种新型复合土工材料路基排水系统，可实现降雨条件下路面结构的快速排水；
M.TURCO等[8]通过试验和数值分析发现，采用HYDRUS 模型能对路面材料透水性进行更加准确的分析。目前针对黄土路基内部排水的研究较少，我国西部黄土地区较多采用盲沟进行路基内部排水[9-10]，其实质是通过降低地下水位来减少水分进入路基，无法完全阻隔由于毛细作用造成的地下水不断侵入。毛细阻滞层(capillary barrier)根据粗细粒土界面的非饱和导水性差异形成的持水层，实现了阻水减渗的功能，因具有寿命长、易施工、造价低廉和环保等特点备受关注，并已应用于垃圾填埋场覆盖系统、尾矿处理等领域[11-13]。顾浩等[14]基于数值模拟分析发现，在非饱和路基边坡中设置毛细阻滞层可有效减少公路湿化病害；
YAN Changgen等[15]通过模型试验研究了砂层和砾石层在黄土路基层中的减水阻渗作用。但尚未有研究将毛细阻滞层应用于黄土半填半挖路基内部的排水结构层中。
根据已有的研究成果，笔者提出将盲沟与毛细阻滞层组合构成路基内部的排水系统，以保护路基免于湿化影响，确保其在长期运营中的稳定性。通过开展室内模型试验，分析在地表积水下渗及地下毛细水作用下路基内部湿度变化规律，验证该系统防排水性能，以期为黄土地区路基设计与施工提供新思路。
1.1 试验材料
试验所用黄土取自甘肃省平凉至绵阳国家高速公路(G8513)华亭至天水段，土样最佳含水率为12.1%，最大干密度为1.92 g·cm-3，渗透系数k=4.13×10-4cm·s-1，基本物性参数见表1。其中毛细阻滞层由砂砾石层与黄土层构成，土样颗粒级配曲线与土水特征曲线见图1。将黄土过筛并晾晒至含水率约16%(体积含水率约24.5%)，用于填方路基填料。用石灰和重塑黄土按照一定比例均匀拌合后可模拟挖方路基原状土体，由此替代其作用过程，根据经验一般取4%～8%剂量的石灰[16]，本试验取6%。
表1 土样物理特性参数Table 1 Physical parameters of soil samples
图1 土样的粒径分布曲线和土水特征曲线Fig. 1 Distribution curves of soil samples and soil-water characteristics curves
1.2 试验工况
根据盲沟与毛细阻滞层的设置情况，将路基模型试验分为3种工况。由于道路结构对称性，采用半幅路基模拟。模型箱采用型钢焊接为骨架有机玻璃板(厚12.5 mm)为侧壁制成，底部焊有0.5 cm厚钢板，尺寸为625 cm×100 cm×150 cm(长×宽×高)，用不透水隔板分为3个相同部分，对应3个路基工况。工况Ⅰ：无盲沟及毛细阻滞层的纯黄土半填半挖路基；
工况Ⅱ：在半填半挖路基的填挖交界台阶处设置纵横向盲沟；
工况Ⅲ：设置纵横向盲沟(同工况Ⅱ)，并在填方路基底部设置毛细阻滞层。3种工况见图2和图3， 3种工况的路基均受积水下渗及地下水毛细作用。
图2 模型箱断面示意(单位：cm)Fig. 2 Diagram of model box section
图3 盲沟和毛细阻滞层构造(单位: cm)Fig. 3 Structure of blind ditch and capillary barrier layer
1.3 模型制作及试验过程
模型制作及试验过程为：①路基填筑。采用分层填筑并压实，其中挖方路基用拌合灰土，填挖交界处共设5个内斜3%～5%的台阶(图4)。工况Ⅱ、Ⅲ中在路床最近台阶处设置6 cm厚的横、纵向盲沟，工况Ⅲ在填方路基底部铺设一层6 cm厚砂砾石(粒径0.5～1 cm)，与黄土层构成毛细阻滞层；
②含水率测点设置。测孔布置见图4，采用TDR(time domain reflectometry)水分传感器可实测路基各孔沿深度的体积含水率(可换算为质量含水率)。各工况测孔编号为A～E，其中测孔A～C穿过路基填挖交界部，测孔D～E在边坡处。③浸水。在各工况路基顶部铺设一层土工布，使水分均匀下渗，保持1 cm水位。在模型箱底部均铺设一层5 cm厚砂层(粒径0.5 mm)，在底部有机玻璃板上设4排直径1 cm、间隔5 cm圆孔，通过外部水槽补水，保持5 cm高水位，模拟地下水位，见图5；
④体积含水率测试。将TDR探头穿入测孔底部，连续测试不同深度的体积含水率(每日一次)，每个测点探头旋转120°测3次，取平均值。
图4 TDR传感器布置(正视和俯视)(单位：cm)Fig. 4 Layout of the TDR sensor (horizontal and vertical view)
图5 路基顶面补水和路基底部补水Fig. 5 Water supplement of top surface and bottom of subgrade
2.1 路基含水率变化
通过TDR测得3个工况的路基各测孔(A～C)沿深度的体积含水率，如图6～图7。A1～C1为工况Ⅰ测孔，A2～C2为工况Ⅱ测孔，A3～C3为工况Ⅲ测孔。各测点埋深Z均指距路基顶面的垂直距离。
图6 测孔A在3个工况中含水率分布Fig. 6 Water content distribution of hole A under 3 working conditions
图7 测孔A、B、C在相同工况下含水率分布Fig. 7 Water content distribution of hole A, B, C under the same working condition
如图6(a)，3个工况的测孔A, B, C在盲沟上方0.2 m处含水率变化基本一致。工况Ⅰ中，在盲沟下方0.3～0.4 m处，测孔A1,B1,C1含水率随时间均增长较快〔图7(a)〕，试验中可明显观察到浸润锋变化，1 h下渗至5 cm处，2 h下渗至10 cm处。而由图6～图7可知，工况Ⅱ和Ⅲ在持续渗水下，A, B, C孔在0.4 m处的含水率在0～5 d明显低于工况Ⅰ，尤其是A、 B孔基本保持不变，在6～12 d开始增加，A孔最终含水量为40%左右，明显低于工况Ⅰ的60%。可见，盲沟可在一定程度上减缓积水下渗，促进早期水分排出。
2.2 边坡含水率变化
通过TDR测得3个工况下边坡各测孔(D、E)沿深度的体积含水率，如图8。D1、E1为工况Ⅰ测孔，D2、E2为工况Ⅱ测孔，D3、E3为工况Ⅲ测孔。
图8 边坡D、E测孔含水率分布曲线Fig. 8 Water content distribution curve of slope D and E holes
如图8，工况Ⅱ中边坡测孔D2、E2在毛细阻滞层上方0.7～0.8 m处含水率增长较快。试验过程中可明显观察到浸润锋面，0.5 h上升至5 cm，2 h上升至15 cm，5 h上升至20 cm， 6～11 d达60%。而工况Ⅲ中D3、E3孔在0.7～0.8 m处含水率均为25.5%±1%，且填方边坡底部始终无浸润锋面出现，考虑到TDR在测试时存在±2%的误差，可认为含水率基本无变化。上述分析可知，在填方路基底部设置毛细阻滞层能有效阻隔地下毛细水上升，保证路基内部含水率稳定。
2.3 填挖交界处含水率变化
在盲沟下方0.3 m处路基测孔A、B、C的0.3～0.8 m、0.5～0.8 m以及0.7～0.8 m属于路基的挖方处，其余为路基的填方处。测孔D、E完全属于边坡。填挖交界处含水率变化如图9。
图9 填挖交界处A～D测孔含水率分布曲线(工况Ⅱ、Ⅲ)Fig. 9 Distribution curve of water content of hole A～D at the filling and excavation junction (working conditions Ⅱ and Ⅲ)
由图9可知，工况Ⅱ中测孔A2、B2在0.5 m处(挖方路基)含水率在初期基本不变，在第9 d后才开始增加，且最终含水率为40%。同时，测孔C2、D2(填方路基与边坡)在第3天0.5 m处含水率就开始增加，且随时间增长较快。另外，工况Ⅱ中路基测孔C2在第15 d时含水率达到50%，明显高于工况Ⅲ，说明地下毛细水在上升过程中发生了横向迁移。工况Ⅲ中各测孔含水量差异较工况Ⅱ小很多，测孔C3、D3在0.5 m处含水率在0～10 d内基本保持不变，且之后增长幅度较工况Ⅱ要小很多，在持续积水下渗与地下水毛细上升作用下，其含水率最终保持在40%，较工况Ⅱ下降了20%～32%，说明由于毛细阻滞层的设置使得挖方路基与填方路基的含水率差异大幅度减小。
笔者针对陇东地区日趋广泛采用的黄土半填半挖式路基，提出了毛细阻滞层与盲沟组合的路基内部防排水系统设计，通过室内模型试验分析了该系统对路基内部含水率分布影响。主要得出以下结论：
1)黄土路基湿度变化主要是由积水下渗与地下水毛细作用导致，通过试验发现路基各层土含水率的增加速率都呈现初期增长很快，后期逐渐减缓的规律。
2)在路基内部设置纵横向盲沟，能促进早期水分排出，最大程度减少积水下渗对路基内部湿度的影响，但不能避免由于地下水的毛细作用导致的路基中下部土层的含水率增加。
3)在填方路基底部设置毛细阻滞层，能有效阻隔地下水位或冲沟积水等对路基边坡土层含水率的影响，保证路基边坡处于较稳定湿度状态，为黄土半填半挖路基内部的防排水设计提供新思路。
4)在边坡无补水情况下，工况Ⅱ中填方路基与边坡土层的含水率依然增长明显，说明地下水毛细上升在路基中发生了横向迁移，同时也说明挖方与填方路基含水率的显著差异是导致黄土半填半挖路基后期出现变形、沉陷及边坡滑移等病害的主要原因。
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