黃土地區(qū)半填半挖式路基模型試驗研究

萬 琪，晏長根，張曉鳴,3，楊曉華，包 含

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710000； 2. 廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550；3. 鞏義市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，河南 鞏義 451200)

0 引 言

路基水害一直是隴東黃土地區(qū)公路建設(shè)面臨的難題。黃土塬上溝壑縱橫，將不可避免遇到大量由水流沖刷等形成的“V”型、“U”型狹長沖溝或河道。當(dāng)路線跨越該地形時，填土路基將與原地面形成半填半挖這一特殊又廣泛的路基形式。沖溝內(nèi)常年排水不暢且地下水位高，致使土層濕度不斷變化，在交通荷載耦合作用下，容易發(fā)生路基沉降變形、路面開裂、甚至邊坡滑移等病害[1-2]。因此，如何有效阻隔沖溝內(nèi)毛細水的侵入，保證路基內(nèi)部濕度穩(wěn)定，是該異型路基結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。目前針對半填半挖路基的研究主要集中于路基變形與差異沉降控制[3-6]，普遍忽視路基內(nèi)部防排水的研究。

國內(nèi)外學(xué)者在路面基層和墊層排水方面已開展大量研究。劉毓氚等[7]提出一種新型復(fù)合土工材料路基排水系統(tǒng)，可實現(xiàn)降雨條件下路面結(jié)構(gòu)的快速排水； M.TURCO等[8]通過試驗和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，采用HYDRUS 模型能對路面材料透水性進行更加準(zhǔn)確的分析。目前針對黃土路基內(nèi)部排水的研究較少，我國西部黃土地區(qū)較多采用盲溝進行路基內(nèi)部排水[9-10]，其實質(zhì)是通過降低地下水位來減少水分進入路基，無法完全阻隔由于毛細作用造成的地下水不斷侵入。毛細阻滯層(capillary barrier)根據(jù)粗細粒土界面的非飽和導(dǎo)水性差異形成的持水層，實現(xiàn)了阻水減滲的功能，因具有壽命長、易施工、造價低廉和環(huán)保等特點備受關(guān)注，并已應(yīng)用于垃圾填埋場覆蓋系統(tǒng)、尾礦處理等領(lǐng)域[11-13]。顧浩等[14]基于數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在非飽和路基邊坡中設(shè)置毛細阻滯層可有效減少公路濕化病害；YAN Changgen等[15]通過模型試驗研究了砂層和礫石層在黃土路基層中的減水阻滲作用。但尚未有研究將毛細阻滯層應(yīng)用于黃土半填半挖路基內(nèi)部的排水結(jié)構(gòu)層中。

根據(jù)已有的研究成果，筆者提出將盲溝與毛細阻滯層組合構(gòu)成路基內(nèi)部的排水系統(tǒng)，以保護路基免于濕化影響，確保其在長期運營中的穩(wěn)定性。通過開展室內(nèi)模型試驗，分析在地表積水下滲及地下毛細水作用下路基內(nèi)部濕度變化規(guī)律，驗證該系統(tǒng)防排水性能，以期為黃土地區(qū)路基設(shè)計與施工提供新思路。

1 試驗材料與設(shè)計方案

1.1 試驗材料

試驗所用黃土取自甘肅省平?jīng)鲋辆d陽國家高速公路(G8513)華亭至天水段，土樣最佳含水率為12.1%，最大干密度為1.92 g·cm-3，滲透系數(shù)k=4.13×10-4cm·s-1，基本物性參數(shù)見表1。其中毛細阻滯層由砂礫石層與黃土層構(gòu)成，土樣顆粒級配曲線與土水特征曲線見圖1。將黃土過篩并晾曬至含水率約16%(體積含水率約24.5%)，用于填方路基填料。用石灰和重塑黃土按照一定比例均勻拌合后可模擬挖方路基原狀土體，由此替代其作用過程，根據(jù)經(jīng)驗一般取4%～8%劑量的石灰[16]，本試驗取6%。

表1 土樣物理特性參數(shù)Table 1 Physical parameters of soil samples

圖1 土樣的粒徑分布曲線和土水特征曲線Fig. 1 Distribution curves of soil samples and soil-water characteristics curves

1.2 試驗工況

根據(jù)盲溝與毛細阻滯層的設(shè)置情況，將路基模型試驗分為3種工況。由于道路結(jié)構(gòu)對稱性，采用半幅路基模擬。模型箱采用型鋼焊接為骨架有機玻璃板(厚12.5 mm)為側(cè)壁制成，底部焊有0.5 cm厚鋼板，尺寸為625 cm×100 cm×150 cm(長×寬×高)，用不透水隔板分為3個相同部分，對應(yīng)3個路基工況。工況Ⅰ：無盲溝及毛細阻滯層的純黃土半填半挖路基；工況Ⅱ：在半填半挖路基的填挖交界臺階處設(shè)置縱橫向盲溝；工況Ⅲ：設(shè)置縱橫向盲溝(同工況Ⅱ)，并在填方路基底部設(shè)置毛細阻滯層。3種工況見圖2和圖3， 3種工況的路基均受積水下滲及地下水毛細作用。

圖2 模型箱斷面示意(單位：cm)Fig. 2 Diagram of model box section

圖3 盲溝和毛細阻滯層構(gòu)造(單位: cm)Fig. 3 Structure of blind ditch and capillary barrier layer

1.3 模型制作及試驗過程

模型制作及試驗過程為：①路基填筑。采用分層填筑并壓實，其中挖方路基用拌合灰土，填挖交界處共設(shè)5個內(nèi)斜3%～5%的臺階(圖4)。工況Ⅱ、Ⅲ中在路床最近臺階處設(shè)置6 cm厚的橫、縱向盲溝，工況Ⅲ在填方路基底部鋪設(shè)一層6 cm厚砂礫石(粒徑0.5～1 cm)，與黃土層構(gòu)成毛細阻滯層；②含水率測點設(shè)置。測孔布置見圖4，采用TDR(time domain reflectometry)水分傳感器可實測路基各孔沿深度的體積含水率(可換算為質(zhì)量含水率)。各工況測孔編號為A～E，其中測孔A～C穿過路基填挖交界部，測孔D～E在邊坡處。③浸水。在各工況路基頂部鋪設(shè)一層土工布，使水分均勻下滲，保持1 cm水位。在模型箱底部均鋪設(shè)一層5 cm厚砂層(粒徑0.5 mm)，在底部有機玻璃板上設(shè)4排直徑1 cm、間隔5 cm圓孔，通過外部水槽補水，保持5 cm高水位，模擬地下水位，見圖5；④體積含水率測試。將TDR探頭穿入測孔底部，連續(xù)測試不同深度的體積含水率(每日一次)，每個測點探頭旋轉(zhuǎn)120°測3次，取平均值。

圖4 TDR傳感器布置(正視和俯視)(單位：cm)Fig. 4 Layout of the TDR sensor (horizontal and vertical view)

圖5 路基頂面補水和路基底部補水Fig. 5 Water supplement of top surface and bottom of subgrade

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路基含水率變化

通過TDR測得3個工況的路基各測孔(A～C)沿深度的體積含水率，如圖6～圖7。A1～C1為工況Ⅰ測孔，A2～C2為工況Ⅱ測孔，A3～C3為工況Ⅲ測孔。各測點埋深Z均指距路基頂面的垂直距離。

圖6 測孔A在3個工況中含水率分布Fig. 6 Water content distribution of hole A under 3 working conditions

圖7 測孔A、B、C在相同工況下含水率分布Fig. 7 Water content distribution of hole A, B, C under the same working condition

如圖6(a)，3個工況的測孔A, B, C在盲溝上方0.2 m處含水率變化基本一致。工況Ⅰ中，在盲溝下方0.3～0.4 m處，測孔A1,B1,C1含水率隨時間均增長較快〔圖7(a)〕，試驗中可明顯觀察到浸潤鋒變化，1 h下滲至5 cm處，2 h下滲至10 cm處。而由圖6～圖7可知，工況Ⅱ和Ⅲ在持續(xù)滲水下，A, B, C孔在0.4 m處的含水率在0～5 d明顯低于工況Ⅰ，尤其是A、 B孔基本保持不變，在6～12 d開始增加，A孔最終含水量為40%左右，明顯低于工況Ⅰ的60%?？梢姡峡稍谝欢ǔ潭壬蠝p緩積水下滲，促進早期水分排出。

2.2 邊坡含水率變化

通過TDR測得3個工況下邊坡各測孔(D、E)沿深度的體積含水率，如圖8。D1、E1為工況Ⅰ測孔，D2、E2為工況Ⅱ測孔，D3、E3為工況Ⅲ測孔。

圖8 邊坡D、E測孔含水率分布曲線Fig. 8 Water content distribution curve of slope D and E holes

如圖8，工況Ⅱ中邊坡測孔D2、E2在毛細阻滯層上方0.7～0.8 m處含水率增長較快。試驗過程中可明顯觀察到浸潤鋒面，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達60%。而工況Ⅲ中D3、E3孔在0.7～0.8 m處含水率均為25.5%±1%，且填方邊坡底部始終無浸潤鋒面出現(xiàn)，考慮到TDR在測試時存在±2%的誤差，可認為含水率基本無變化。上述分析可知，在填方路基底部設(shè)置毛細阻滯層能有效阻隔地下毛細水上升，保證路基內(nèi)部含水率穩(wěn)定。

2.3 填挖交界處含水率變化

在盲溝下方0.3 m處路基測孔A、B、C的0.3～0.8 m、0.5～0.8 m以及0.7～0.8 m屬于路基的挖方處，其余為路基的填方處。測孔D、E完全屬于邊坡。填挖交界處含水率變化如圖9。

圖9 填挖交界處A～D測孔含水率分布曲線(工況Ⅱ、Ⅲ)Fig. 9 Distribution curve of water content of hole A～D at the filling and excavation junction (working conditions Ⅱ and Ⅲ)

由圖9可知，工況Ⅱ中測孔A2、B2在0.5 m處(挖方路基)含水率在初期基本不變，在第9 d后才開始增加，且最終含水率為40%。同時，測孔C2、D2(填方路基與邊坡)在第3天0.5 m處含水率就開始增加，且隨時間增長較快。另外，工況Ⅱ中路基測孔C2在第15 d時含水率達到50%，明顯高于工況Ⅲ，說明地下毛細水在上升過程中發(fā)生了橫向遷移。工況Ⅲ中各測孔含水量差異較工況Ⅱ小很多，測孔C3、D3在0.5 m處含水率在0～10 d內(nèi)基本保持不變，且之后增長幅度較工況Ⅱ要小很多，在持續(xù)積水下滲與地下水毛細上升作用下，其含水率最終保持在40%，較工況Ⅱ下降了20%～32%，說明由于毛細阻滯層的設(shè)置使得挖方路基與填方路基的含水率差異大幅度減小。

3 結(jié) 論

筆者針對隴東地區(qū)日趨廣泛采用的黃土半填半挖式路基，提出了毛細阻滯層與盲溝組合的路基內(nèi)部防排水系統(tǒng)設(shè)計，通過室內(nèi)模型試驗分析了該系統(tǒng)對路基內(nèi)部含水率分布影響。主要得出以下結(jié)論：

1)黃土路基濕度變化主要是由積水下滲與地下水毛細作用導(dǎo)致，通過試驗發(fā)現(xiàn)路基各層土含水率的增加速率都呈現(xiàn)初期增長很快，后期逐漸減緩的規(guī)律。

2)在路基內(nèi)部設(shè)置縱橫向盲溝，能促進早期水分排出，最大程度減少積水下滲對路基內(nèi)部濕度的影響，但不能避免由于地下水的毛細作用導(dǎo)致的路基中下部土層的含水率增加。

3)在填方路基底部設(shè)置毛細阻滯層，能有效阻隔地下水位或沖溝積水等對路基邊坡土層含水率的影響，保證路基邊坡處于較穩(wěn)定濕度狀態(tài)，為黃土半填半挖路基內(nèi)部的防排水設(shè)計提供新思路。

4)在邊坡無補水情況下，工況Ⅱ中填方路基與邊坡土層的含水率依然增長明顯，說明地下水毛細上升在路基中發(fā)生了橫向遷移，同時也說明挖方與填方路基含水率的顯著差異是導(dǎo)致黃土半填半挖路基后期出現(xiàn)變形、沉陷及邊坡滑移等病害的主要原因。