湖水位變化對(duì)臨湖防洪道路路面結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律

沈才華， 陳 偉， 陳曉靜， 任增誼， 王 媛， 柴思嘉

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210022）

目前很多地方因經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，大力開發(fā)堤防道路，堤防道路是在堤頂、堤前或堤后鋪筑路面結(jié)構(gòu)的堤路結(jié)合工程，它既是抗洪防汛的水利設(shè)施，也是滿足車輛通行的道路工程，兼具道路交通和水利抗洪的作用［1-2］.

臨堤道路因其特殊性，其土基含水量隨湖水位的變化而變化，現(xiàn)行規(guī)范中采用最不利季節(jié)測(cè)定土基回彈模量值作為土基強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，即在土基回彈模量取值過程中沒有考慮一年中土基含水量的變化對(duì)土基強(qiáng)度的影響，這種取值是偏安全. 路面設(shè)計(jì)中采用回彈模量作為土基抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土基的回彈模量做了大量研究. 宋修廣等［3］做了壓實(shí)粉土回彈模量隨含水量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)實(shí)際含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，路基土回彈模量隨含水率的增大呈顯著的衰減關(guān)系. Liang 等［4］為了定量預(yù)估濕度對(duì)路基回彈模量的影響，提出在回彈模量本構(gòu)模型中考慮非飽和土基質(zhì)吸力. Sawangsuriya 等［5］研究施工后壓實(shí)路基的力學(xué)性質(zhì)（即剛度或模量）因路基水分狀況變化而發(fā)生的變化. 祁孔慶等［6］通過數(shù)值模擬得出，路基回彈模量與路基濕度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，路基模量隨著水位上升基本呈線性減小的趨勢(shì). 章定文等［7］采用非飽和土三軸儀對(duì)不同初始?jí)簩?shí)含水率和經(jīng)歷干濕過程后不同含水率土樣進(jìn)行常含水率三軸試驗(yàn)得出，土體含水率的增加會(huì)引起非飽和壓實(shí)土體模量的降低. 崔書珍等［8］實(shí)例分析了長三角典型高速鐵路路基工后沉降年監(jiān)測(cè)成果及對(duì)應(yīng)的年降雨情況，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)高速鐵路路基工后沉降隨年降雨變化呈現(xiàn)季節(jié)性特征，季節(jié)性降雨導(dǎo)致路堤與地基中含水量增加，從而改變了其內(nèi)部力學(xué)特性引起沉降.王悅月等［9］分析了水分遷移對(duì)千枚巖填筑路基回彈模量及其對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律. 目前對(duì)臨堤道路主要集中在沿湖路基邊坡的滲透穩(wěn)定性研究，樓曉昱等［10］基于飽和-非飽和滲流與非飽和抗剪強(qiáng)度理論研究水位升降對(duì)沿湖路基邊坡滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的影響，得出對(duì)路基滲流特征的正確分析是開展其穩(wěn)定性研究的先決條件. 付宏淵等［11］研究了坡前水位升降對(duì)炭質(zhì)泥巖-粉土分層填筑路堤邊坡滲流特征及穩(wěn)定性的影響. 張俊榮等［12］采用巖土計(jì)算軟件Geo-studio 分別分析了不同填土材料、單側(cè)和雙側(cè)水位降低、不同水位降低速率、不同路堤高度和不同滲透系數(shù)等影響因素下的浸水路堤內(nèi)滲流特征以及路堤穩(wěn)定性.蔡俊華［13］考慮了初始水位不變、水位驟升、水位驟降和水位簡(jiǎn)諧4種工況，對(duì)比分析了不同水位條件下灘涂路基沉降和孔壓變化規(guī)律.

實(shí)踐證明，道路的損壞80%～90%是由于路基變形引起的，蔡俊華［14］基于現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬軟件Plaxis2 D對(duì)反復(fù)水位作用下的深厚灘涂路基沉降及預(yù)測(cè)系統(tǒng)開展了研究. 張英平等［15］通過水位循環(huán)升降模擬試驗(yàn)，研究水位循環(huán)升降作用下粉土孔隙水壓力、土壓力周期性變化規(guī)律及由此產(chǎn)生的變形沉降特性. 土基回彈模量作為控制路基變形的主要指標(biāo)，其影響因素主要包括土質(zhì)類型、壓實(shí)度和含水量這三個(gè)方面，堤防道路路基含水量除受降雨和地下水位的影響外，邊坡外側(cè)湖水位的變化也會(huì)影響路基的含水量，進(jìn)而對(duì)臨堤道路彎沉值產(chǎn)生影響. 朱益軍等［16］提出路堤內(nèi)水位升降對(duì)地基具有循環(huán)荷載的作用效果，易引起路堤工后進(jìn)一步固結(jié)沉降變形. 因此，建立起湖水位的變化對(duì)彎沉值的影響規(guī)律，對(duì)臨堤道路建設(shè)具有重要的參考價(jià)值.

1 湖水位變化時(shí)路基不同深度含水率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段情況，選擇試驗(yàn)段的一個(gè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，斷面在路中位置沿深度方向布置，詳見圖1和圖2. 路基表面埋設(shè)一個(gè)，接著每隔50 cm布置一個(gè)，最后一個(gè)間隔100 cm，共5個(gè)土壤水分儀.

圖3顯示，不同深度土層含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，八九月汛期土層含水率受湖水位的影響波動(dòng)范圍較大，深度越深影響越大，本堤防汛期湖水位較高，對(duì)路基頂部土層的含水率也有影響，影響規(guī)律基本與湖水位變化一致. 并且路基頂部的土層含水率還與降雨情況相關(guān)，連續(xù)降雨時(shí)，影響較大. 如果水經(jīng)過道路表面及基層最后進(jìn)入土基，就會(huì)影響整個(gè)道路結(jié)構(gòu)的承載性能、減弱土基強(qiáng)度，使道路的結(jié)構(gòu)損壞［17］. 對(duì)于發(fā)生在表面層和中、上面層的破壞，應(yīng)主要考慮提高瀝青面層的防水性能，嚴(yán)格控制瀝青混合料的孔隙率范圍，防止降雨下滲到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部［18］. 同時(shí)湖水位變化對(duì)不同深度處路基含水率變化有顯著影響，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此臨湖道路修建和改建時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)芈坊苎雌诤坏挠绊?

圖1 水分儀安裝的剖面位置示例Fig.1 Example of profile location of moisture meter installation

圖2 水分儀現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖Fig.2 The site burying diagram of moisture meter

圖3 斷面A1部分含水率Fig.3 Water content of section A1

圖4顯示，路基頂部和深部的實(shí)測(cè)含水率隨著湖水位上漲后，路基頂部含水率從25.8%左右增加至30%左右，波動(dòng)幅度約4%. 距離路基頂部2.5 m深的A1-4處實(shí)測(cè)含水率從31.5%增加到41%，變化幅度約9.5%.由于路基含水率的變化會(huì)引起路基變形模量和強(qiáng)度的變化，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，臨湖防洪堤建造時(shí)應(yīng)針對(duì)實(shí)際路基特性和湖水位變化特性，進(jìn)行路面頂標(biāo)高和路面結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)蝶形邊溝及時(shí)排出路面積水.

圖4 湖水位與A1-1、A1-4含水率隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of lake water level and water content of A1-1 and A1-4 with time

2 湖水位變化對(duì)路面彎沉值的影響規(guī)律分析

土基回彈模量表示土基在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力［19］. 如果垂直荷載為定值，土基回彈模量值愈大則產(chǎn)生的垂直位移就愈?。蝗绻Q向位移是定值，回彈模量值愈大，則土基承受外荷載作用的能力就愈大. 因此，路面設(shè)計(jì)中采用回彈模量作為土基抗壓強(qiáng)度的指標(biāo). 土基是道路結(jié)構(gòu)的下層，承受著由路面?zhèn)飨聛淼能囕v荷載和上部結(jié)構(gòu)的自重. 在實(shí)踐中，常常出現(xiàn)的路面損壞現(xiàn)象，大部分都是由于土基強(qiáng)度不足，穩(wěn)定性不夠，在外荷載作用下產(chǎn)生的過量變形所致. 由于其特殊性，研究路表彎沉值隨土基回彈模量變化規(guī)律十分必要. 由于土的成層性，采用等效回彈模量，本工程設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層組合見表1.

表1 組合結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameters of composite structure layer

各層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算如下表2所示.

表2 組合結(jié)構(gòu)層厚度的層底拉應(yīng)力表Tab.2 Bottom tensile stress of composite structure layer thickness

不同含水率路基土的等效回彈模量實(shí)測(cè)值分析：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路基內(nèi)的填土進(jìn)行取樣，制作97%壓實(shí)度的土樣，其最佳含水率12.2%，然后增加含水率至26%，根據(jù)規(guī)范，以1 mm回彈位移量時(shí)對(duì)應(yīng)的等效回彈模量值作為設(shè)計(jì)等效回彈模量，測(cè)得其等效回彈模量52.83 MPa；然后增加含水量至30%，測(cè)得等效回彈模量39.40 MPa；土基等效回彈模量降低了25.4%左右，降低了13.43 MPa.

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)彎沉值為40.09（0.01 mm）. 采用中國現(xiàn)行規(guī)范中瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算方法，計(jì)算不同路基等效回彈模量下路面結(jié)構(gòu)的彎沉計(jì)算值變化，分析由于路基含水率變化對(duì)路面彎沉的影響規(guī)律. 假設(shè)路基等效回彈模量分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60 MPa，路面計(jì)算彎沉值如圖5所示.

圖5顯示，土基等效回彈模量增大時(shí)，路面的計(jì)算彎沉值隨之減小，計(jì)算彎沉值呈現(xiàn)出非線性變化的規(guī)律，在土基等效回彈模量越小時(shí)，計(jì)算彎沉值的減小率越大，等效回彈模量在35 MPa后變化率變緩. 土基的等效回彈模量越小對(duì)于結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力和路面彎沉值的影響越大. 土基等效回彈模量每增加5 MPa，路面計(jì)算彎沉值在1.29～7.32（0.01 mm）范圍內(nèi)變化. 因此根據(jù)實(shí)測(cè)路基頂部的土隨含水率的變化等效回彈模量減小范圍約13.43 MPa，因此可以預(yù)測(cè)由于湖水位的變化，本防洪堤路面計(jì)算彎沉值的變化率為5%～17%.

土基等效回彈模量是表征土基強(qiáng)度的，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，它對(duì)路表彎沉的影響是很明顯的，但對(duì)于不同的路面結(jié)構(gòu)路表彎沉不能反映土基頂面工作應(yīng)力狀態(tài)，由于路表彎沉大部分都是由土基強(qiáng)度引起的，在對(duì)不同土基等效回彈模量的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅以路表彎沉為指標(biāo)來判斷路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是不全面的［20］. 因此采用不同路基等效回彈模量與各層底拉應(yīng)力關(guān)系來反應(yīng)路面實(shí)際承載能力. 圖6 為不同路基等效回彈模量與各層底拉應(yīng)力關(guān)系曲線，顯示增大土基等效回彈模量時(shí)，上層的細(xì)粒式瀝青混凝土和中粒式瀝青混凝土的層底拉應(yīng)力都為0（為受壓狀態(tài)），水泥穩(wěn)定碎石層和石灰土層的層底拉應(yīng)力都相應(yīng)減小，呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律，在土基等效回彈模量值越低的時(shí)候，層底拉應(yīng)力的下降率越高. 土基等效回彈模量每增加5 MPa，水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力減小0.02～0.07 MPa，石灰土層底拉應(yīng)力減小0.02～0.06 MPa；水泥穩(wěn)定碎石的層底拉應(yīng)力的變化率為1.6%～5%左右，石灰土的層底拉應(yīng)力變化率為3%～6.7%左右.

圖5 不同土基等效回彈模量與路面計(jì)算彎沉值關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between equivalent resilient modulus of different soil foundation and calculated deflection value of pavement

圖6 不同路基等效回彈模量與各層底拉應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between equivalent resilient modulus of different subgrade and bottom tensile stress of each layer

根據(jù)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)含水率變化規(guī)律顯示，路基頂部土層含水率受水位等綜合影響，波動(dòng)范圍達(dá)4%，又根據(jù)土基等效回彈模量的敏感性分析顯示，土基等效回彈模量每降低5 MPa，彎沉值將平均增加4.3（0.01 mm），因此路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算彎沉值將增加11.5（0.01 mm）平均增幅為33%；水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力平均增加0.045 MPa，平均增加率3.3%左右；石灰土層底拉應(yīng)力平均增加0.04 MPa，平均增加率4.9%左右. 防汛道路受湖水位變化影響，路面結(jié)構(gòu)的彎沉值波動(dòng)增幅達(dá)11.5（0.01 mm）；水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力增幅達(dá)0.121 MPa；石灰土層底拉應(yīng)力增幅0.107 MPa. 因此，湖水位波動(dòng)變化會(huì)引發(fā)路基土含水率的波動(dòng)變化，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，應(yīng)引起重視，但本工程設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)在汛期湖水位波動(dòng)范圍內(nèi)整體的路面結(jié)構(gòu)彎沉值及結(jié)構(gòu)底層拉應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié)論

1）臨湖道路湖水位波動(dòng)變化將引起路基含水率的變化，變化規(guī)律基本一致，道路完工后，汛期路基內(nèi)部A1-4深度土層含水率隨著湖水位變化的變化幅度在10%左右，路基頂部A1-1的實(shí)測(cè)波動(dòng)范圍4%左右，路基頂部還受降雨有一定影響，對(duì)于發(fā)生在表面層和中、上面層的破壞，應(yīng)主要考慮提高瀝青面層的防水性能，嚴(yán)格控制瀝青混合料的孔隙率范圍，防止降雨下滲到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部. 湖水位變化影響土基含水率從而對(duì)路基變形有影響，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此臨湖道路修建和改建時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)芈坊苎雌诤坏挠绊懸?guī)律.

2）路基含水率的變化會(huì)引發(fā)路基等效回彈模量的變化，其含水率每增加4%，路基等效回彈模量減小25.4%左右，路基的等效回彈模量越小對(duì)于結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力和路面彎沉值的影響越大. 路基等效回彈模量每增加5 MPa，路面彎沉值減小1.29～7.32（0.01 mm），變化率為5%～17%.