道路兩側(cè)綠地蓄水對(duì)路基滲透變形的影響研究

劉躍成, 伍東衛(wèi), 蔣中明, 葉保權(quán)

(1.云南鳳云高速公路有限公司，云南 臨滄 675800； 2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650000；3.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

0 前言

在當(dāng)今交通運(yùn)輸和旅游融合發(fā)展的時(shí)代背景下，公路交通工程已不僅僅局限于承擔(dān)車輛通行的基礎(chǔ)功能，還是促進(jìn)旅游、扶貧攻堅(jiān)、激發(fā)經(jīng)濟(jì)活力、助推鄉(xiāng)村振興、實(shí)現(xiàn)價(jià)值延伸的必備“整合利器”。因而，公路工程沿線設(shè)施的建設(shè)已成為公路交通的重點(diǎn)，特別是綠化工程。公路沿線綠化工程的建設(shè)，給傳統(tǒng)公路的建設(shè)帶來了新的技術(shù)問題，其中最重要的問題來源就是水。一方面水是植物生長所必須的，另一方面水是誘發(fā)路基路面病害的根源。路基水分主要來自于降雨。為美化亮點(diǎn)工程，公路設(shè)計(jì)者會(huì)盡可能多地增加綠化地帶，如斜坡填方路基的靠山一側(cè)有時(shí)會(huì)直接填平做成綠化帶。在雨水入滲條件下，綠地土壤會(huì)存儲(chǔ)大量的水，并逐漸演變成“蓄水區(qū)”，而后向路基內(nèi)部滲透。如何做好這類路基的水治理工作，關(guān)乎路基路面的使用壽命和運(yùn)維安全。我國對(duì)公路防排水重要性的認(rèn)識(shí)大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，從簡單的路表排水，到設(shè)置防水封層，最后走向防排結(jié)合[1-4]。但在如何協(xié)調(diào)道路兩側(cè)綠化“用水”和防治水害“排水”之間的矛盾方面，仍需要進(jìn)行深入研究。因此，本文以滇西南云鳳高速公路為例，針對(duì)有上述綠化帶特征的部分路段，開展該類路基滲透變形破壞的機(jī)理研究，分析路基病害產(chǎn)生的原因，為滇西南強(qiáng)降雨區(qū)后續(xù)公路工程防排水系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒。

1 道路綠地蓄水及路基水害特征

1.1 綠地蓄水特征分析

土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，賦予了其對(duì)水分有良好的積蓄、運(yùn)輸、保持、調(diào)配等功能，簡稱為“土壤水庫”[5]。土壤水庫按其“庫容”，可用土壤總體庫容量、土壤水分現(xiàn)存量、剩余蓄水空間、有效庫容、死庫容和滯洪庫容等來評(píng)價(jià)土壤的蓄水能力[6]。綠地土壤可通過吸納大氣降水、部分地表徑流及周圍環(huán)境的巖土滲水，消減因降雨導(dǎo)致的地表徑流，從而一定程度上減緩洪澇災(zāi)害。因此，城市綠地蓄水滯洪效應(yīng)作為防治城市內(nèi)澇的重要手段，一直都是廣大學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。史學(xué)正等[7]通過人工模擬試驗(yàn)研究，提出充分調(diào)用“土壤水庫”實(shí)現(xiàn)長江流域防洪減災(zāi)的措施，闡述了只要疏通土壤下滲通道，那么1 m厚土層蓄水量就能吸納降雨量的19%，試驗(yàn)中4 h共204 mm降雨約有165.1 mm進(jìn)入“土壤水庫”。張波等[8]以深圳市不同地區(qū)的綠地土壤為對(duì)象，分析了土壤容重、孔隙狀況對(duì)土壤水分常數(shù)和水分入滲特征的影響。李青林等[9]以貴陽市綠化帶的喬木林、灌木林、草地等3類典型人工綠地為研究對(duì)象，得到了土壤飽和導(dǎo)水率以喬木綠地最大、灌木綠地居中、草地綠地最小的結(jié)果，指出了綠地飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與總孔隙度、毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，與砂礫含量呈顯著正相關(guān)。朱永杰等[10]通過監(jiān)測(cè)下凹式綠地蓄水過程中水分滲透量和入滲速率，發(fā)現(xiàn)下凹式綠地土壤滲透性能會(huì)隨暴雨強(qiáng)度的增加而增大，滲透量隨時(shí)間呈拋物線型增加，且最后土壤滲透總量隨水負(fù)荷增加而增大，同時(shí)，土壤的滲透性能會(huì)隨著蓄水次數(shù)增加而變差。以上研究成果均較好地闡述了綠地蓄水的特征，對(duì)于城市綠地，蓄水滯洪作用是有益的，但對(duì)于山區(qū)公路綠地，若無專門設(shè)計(jì)的防排水措施，綠地蓄水的長期存在勢(shì)必將引發(fā)水分向路基內(nèi)部發(fā)生滲透，進(jìn)而引發(fā)新的路基路面病害。

1.2 綠地蓄水滲透作用下路基水害特征

目前，關(guān)于山區(qū)高速公路規(guī)劃兩側(cè)綠地蓄水滲透作用的研究成果較少，以往研究大多集中在路基拓寬及防排水體系、路基路面病害防治等方面[11-12]。公路設(shè)計(jì)規(guī)范僅對(duì)中央綠化帶的防排水設(shè)計(jì)做了比較詳細(xì)的描述，但仍存在耐久性、生態(tài)性較差、經(jīng)濟(jì)成本高、影響綠化種植等問題[13]。在公路工程中，降雨是公路水的主要來源，雨水入滲路基路面引發(fā)病害的工程實(shí)例和研究成果均較多[14-17]。道路兩側(cè)綠地蓄水的主要來源有：①雨水經(jīng)綠化帶地表直接滲入；②周圍土體降雨蓄水后重力或毛細(xì)管作用下的水分遷移；③產(chǎn)流發(fā)生前地表坑塘的存水及產(chǎn)流過程途徑綠化帶的水；④人工帶來的綠化帶灌溉用水。綠地蓄水后滲流方向受周圍地形地貌、土體性質(zhì)、壓實(shí)度、含水率、重力等因素綜合影響。經(jīng)調(diào)研，因綠地蓄水的滲透作用引發(fā)路基不均勻沉降、甚至滲透變形破壞的現(xiàn)象較多。以滇西南強(qiáng)降雨區(qū)砂類土填料路基為例，幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的路基路面水害現(xiàn)象，道路兩側(cè)綠地蓄水滲透作用下典型路基水害現(xiàn)象如圖1所示。

(a)半填半挖路基滲透

(b)表層土體滲透

(c)填方路基單側(cè)綠化帶滲透

(d)樁板墻填方路基水集聚圖1 道路兩側(cè)綠地蓄水滲透作用下典型路基水害現(xiàn)象

結(jié)合圖1可知，綠地蓄水對(duì)路基滲透作用引發(fā)的路基水害主要特征如下：①綠地蓄水對(duì)路基的滲透作用是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步發(fā)展的過程，與泥石流、山洪相比，綠地蓄水滲透引發(fā)的路基路面水害具有明顯的緩慢性和滯后性；②路基臨空側(cè)可能因綠地蓄水出現(xiàn)逐層剝蝕、垮塌等現(xiàn)象，相應(yīng)的路面也同步出現(xiàn)開裂、脫空和塌陷等現(xiàn)象；③雖路基實(shí)際發(fā)生變形破壞的區(qū)域不大，但綠地蓄水對(duì)路基滲透作用的影響面積普遍較大，水害處治的難度也相對(duì)較大。

2 路基填料遇水分解及彈模衰減特征

2.1 含細(xì)粒土砂填料顆粒遇水分解研究

公路路基填料土體普遍處于非飽和狀態(tài)，強(qiáng)度和變形受降雨滲流影響較大，土體內(nèi)含水量的變化將直接導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)的改變。土水特征曲線是土體基質(zhì)吸力與飽和度之間的變化關(guān)系，反映了土體含水量變化時(shí)，其強(qiáng)度、體變和滲流的變化特性。影響土水特征曲線的基本因素就是土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)，土體遇水致礦物成分吸水后狀態(tài)變化，將直接影響土水曲線的各項(xiàng)特征。

滇西南強(qiáng)降雨區(qū)普遍存在砂類土填料，其力學(xué)性能滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610-2019)的各項(xiàng)要求，但其遇水后的狀態(tài)變化未明確。如云鳳高速公路多處高填方路段采用的是含細(xì)粒土砂填料，該類填料在泡水前后的顆粒篩分試驗(yàn)級(jí)配曲線如圖2所示。由圖可知，大顆粒土遇水后形態(tài)會(huì)發(fā)生分解，變成粒徑更小的顆粒。表現(xiàn)最為明顯的是小于0.075 mm孔徑顆粒含量突然由7.69%大幅度增至27.75%，土樣最大粒徑由10mm銳減至2 mm。土樣顆粒組成由含細(xì)粒土砂變?yōu)轲ね临|(zhì)砂。由此可見，滇西南地區(qū)含細(xì)粒土砂類路基填料在水作用下顆粒組成發(fā)生了明顯改變，從而引起填料的物理力學(xué)性能變化，最終誘發(fā)路基路面沉降、開裂、不密實(shí)等病害。

圖2 填料泡水前后級(jí)配曲線

2.2 含細(xì)粒土砂路基彈模衰減特征研究

為進(jìn)一步探究路基填料在水作用下的工程特性變化情況，對(duì)路基土樣進(jìn)行吸水膨脹試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，土體孔隙率將直接影響其吸水膨脹性能。含細(xì)粒土砂類填料的吸水量與膨脹量具有較好的相關(guān)性，與土體的密實(shí)度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 不同壓實(shí)度的填料土樣吸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果%項(xiàng)目30擊壓實(shí)度約89% 50擊壓實(shí)度約92% 94區(qū)壓實(shí)度約94% 96區(qū)壓實(shí)度約96% 98擊壓實(shí)度100% 吸水量6.715.655.294.703.87膨脹量3.542.872.191.710.72

根據(jù)滇西南強(qiáng)降雨區(qū)干濕季節(jié)分明的氣象特征，開展了壓實(shí)度為94%、96%的土樣浸泡前后的回彈模量對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示，泡水前后壓力P-變形L關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明含細(xì)粒土砂類路基在雨水入滲浸泡又自然干燥的條件下，土樣表層會(huì)出現(xiàn)厚約2 mm的松散層，表層約1 cm土體彈性模量的代表值降低約50%。土樣的彈性模量呈現(xiàn)出隨試驗(yàn)深度增加而增大的現(xiàn)象。由此可推測(cè)，在干濕循環(huán)作用下，路基將呈現(xiàn)出由外向內(nèi)的力學(xué)性能漸進(jìn)式衰減的水害現(xiàn)象。

表2 94區(qū)土樣泡水前后回彈模量對(duì)比壓力/kPa泡水前泡水4 d,風(fēng)干15 d后總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa0000-0 00-509 4.94 2.83 2.11 8 31820.34 20.30 0.04 -1 019 9.48 5.20 4.28 8 201 56.83 47.29 9.54 3 679 1 528 16.32 10.26 6.06 8 688 92.50 80.30 12.20 4 316 2 037 30.10 22.57 7.54 9 310 126.43 118.39 8.04 8 731 2 546 50.39 39.20 11.21 7 828 ----

表3 96區(qū)土樣泡水前后回彈模量對(duì)比壓力/kPa泡水前泡水4 d,風(fēng)干15 d后總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa總變形/(0.1 mm)殘余變形/(0.1 mm)彈性變形/(0.1 mm)回彈模量/kPa0000-000-509 3.75 1.80 1.95 9 00019.4719.400.07-1 019 7.38 3.56 3.82 9 188 42.8733.619.263 790 1 528 11.43 6.38 5.05 10 426 76.9665.3711.594 5432 037 17.14 10.84 6.30 11 143 119.2112.896.3111 125 2 546 27.19 17.38 9.81 8 945 ----

(a)泡水前

(b)泡水4 d，自然風(fēng)干15 d后圖3 94區(qū)土樣泡水前后壓力P-變形L曲線

(a)泡水前

(b)泡水4 d，自然風(fēng)干15 d后圖4 96區(qū)土樣泡水前后壓力P-變形L曲線

3 路基填料滲透變形特征研究

為探究降雨滲流作用下路基的滲透破壞特征，以云鳳高速公路含細(xì)粒土砂填料為對(duì)象，開展室內(nèi)滲透破壞試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖5所示，圖5(b)是根據(jù)滲透破壞試驗(yàn)原理對(duì)常用TST-55滲透系數(shù)儀進(jìn)行部分改造后的試驗(yàn)裝置，主要原理是水從底部對(duì)環(huán)刀內(nèi)土樣進(jìn)行滲透，利用土樣上下面的水頭差使其發(fā)生滲透破壞。

(a)供水及水頭加載裝置

(b)改造后的TST-55滲透儀圖5 滲透破壞試驗(yàn)裝置

通過對(duì)云鳳高速含細(xì)粒土砂路基的病害調(diào)研，發(fā)現(xiàn)路基經(jīng)歷降雨滲流作用后，路基邊坡表層存在蜂窩狀骨架結(jié)構(gòu)的土樣，坡腳處有大量細(xì)砂土。同時(shí)，邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)存在大面積脫空，邊坡表面存在大量溝槽。蜂窩狀骨架土樣穩(wěn)定性較差，極易在重力、風(fēng)力或其他作用力的影響下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、坍塌重組的現(xiàn)象。為探究含細(xì)粒土砂路基填料的整個(gè)滲流破壞過程，本次研究分別以完整土樣、0.075 mm篩余土樣、0.25 mm篩余土樣、0.5 mm篩余土樣為對(duì)象，開展?jié)B透破壞試驗(yàn)。各土樣臨界水力梯度的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，完整土樣在水力坡降Jr=0.45時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)了管涌破壞；Jr=1.175時(shí)，會(huì)出現(xiàn)管狀爆噴式滲透破壞。0.25 mm篩余土樣管涌破壞的現(xiàn)象很不明顯，在Jr=29.325下，面積約占20%的土?xí)霈F(xiàn)抬高式流土破壞。由此可知：①土顆粒組成將直接影響其滲流破壞的形式；②滲流作用下，土中細(xì)顆粒將率先被帶走，粗顆粒能維持一定時(shí)長的穩(wěn)定；③伴隨著滲透壓力的持續(xù)增大，粗顆粒形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)土樣將以流土的方式發(fā)生滲透破壞；④土樣滲流通道貫通的過程，既是細(xì)顆粒被帶走的過程，也伴隨著骨架重構(gòu)、調(diào)整。本次試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)歷降雨作用后路基邊坡表層出現(xiàn)的多種結(jié)構(gòu)土樣及表面溝槽、結(jié)構(gòu)物脫空等情況具有很好的關(guān)聯(lián)性。

表4 各類土樣臨界水力坡降Jr計(jì)算結(jié)果臨界類型完整土樣0.075 mm篩余土樣0.25 mm篩余土樣0.5 mm篩余土樣管涌0.4501.12520.575-流土1.1751.82529.32558.7

4 綠地蓄水對(duì)路基的滲透發(fā)展特征分析

為探究綠地蓄水對(duì)路基的滲透發(fā)展特征，以云鳳高速公路K16+900處路基含細(xì)粒土砂填料的綠地為例，建立滲流數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型(見圖6)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)，擬定了數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)見表5。為更好地反映滲透發(fā)展的特征，仿真分析時(shí)假定綠地蓄水長期處于飽和狀態(tài)，即綠地與周圍土體的交界面上始終保持一定的孔隙水壓力。持續(xù)滲透1個(gè)月和1 a后，路基孔隙水壓力分布分別如圖7、圖8所示。

圖6 K16+900路基數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

圖7 持續(xù)滲透1個(gè)月后路基孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖8 持續(xù)滲透1 a后路基孔隙水壓力分布(單位：kPa)

表5 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)土樣重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比滲透系數(shù)/(cm·s-1)路床(96區(qū))21.85733.117.70.253.29×10-4路堤(94區(qū))21.655.7233.117.70.303.32×10-4地基21.08 680160350.281.96×10-5擋墻混凝土23.030 0001 000520.21.1×10-6

由圖7和圖8可知：在綠地土壤蓄水的滲透作用下，路基滲流場(chǎng)演化呈現(xiàn)出以下特征：①隨著時(shí)間推移，滲透由右側(cè)綠地“蓄水區(qū)”逐步擴(kuò)展、并順著填挖交界處向左側(cè)坡腳滲透；②孔隙水壓力分布沿順坡向、由表及里逐步增大；③長期滲透作用下，在擋墻附近的填土內(nèi)部會(huì)形成一片超孔隙水壓力的區(qū)域；④擋墻地基的土體最終將面臨泡水軟化的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)破壞。在工程實(shí)踐中，諸如此類擋墻在孔隙水壓力和填土壓力的共同作用下出現(xiàn)局部垮塌的例子也屢見不鮮。因此，綠地土壤若一直處于飽水狀態(tài)且無防排水措施的條件下，土壤中的自由水在重力作用下，持續(xù)對(duì)路基進(jìn)行滲透，將引發(fā)路基出現(xiàn)水毀破壞現(xiàn)象，特別是滇西南強(qiáng)降雨區(qū)的砂土填料路基，此種現(xiàn)象更為明顯。

5 結(jié)論

道路兩側(cè)綠地蓄水對(duì)路基病害的發(fā)生有重大影響，建設(shè)過程中應(yīng)注重設(shè)置防排水措施。以滇西南強(qiáng)降雨區(qū)含細(xì)料土砂類填料為例，研究了該類填土在水作用下的分解特征以及軟化特性，采用數(shù)值模擬方法研究了綠地“蓄水”對(duì)路基滲流場(chǎng)及水害的影響。主要結(jié)論如下：

1)受地形地貌影響，道路兩側(cè)綠地蓄水引發(fā)路基水害的現(xiàn)象容易發(fā)生在雨水匯流區(qū)域。

2)綠地蓄水對(duì)路基的滲透作用是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步發(fā)展過程，對(duì)應(yīng)的路基路面水害發(fā)展過程也表現(xiàn)出階段性，如路基臨空側(cè)土層的逐層剝蝕、垮塌。

3)滇西南地區(qū)普遍存在的砂類填料遇水后會(huì)出現(xiàn)顆粒再次分解，土體級(jí)配、孔隙率、密度等指標(biāo)將出現(xiàn)重大變化。土樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，表層土彈性模量的衰減幅度也將高達(dá)50%，并表現(xiàn)出由外向內(nèi)逐步發(fā)展的變化特征。

4)對(duì)含細(xì)粒土砂類路基，綠地蓄水向路基的滲透發(fā)展呈現(xiàn)出階段性，首先受影響的是靠綠地的路肩部位，而后將在路基臨空面的坡腳附近出現(xiàn)孔隙水壓力最大的區(qū)域，甚至出現(xiàn)超孔隙水壓力，最終導(dǎo)致路基臨空面坡腳處率先出現(xiàn)滲透變形破壞。