粉土路基在吸水条件下的强度衰减特性研究

邓小川余海游

1重庆市万州区城市建设中心（404000） 2重庆市万州经济技术开发区（404000）

路基作为承受路面荷载的主要土木结构支撑物，是保证车辆平稳运行的基础。路基刚度、强度和稳定性直接影响道路的使用寿命和行车安全。路基病害的反复出现不仅影响车辆正常通行，而且造成资源的严重浪费。粉土广泛分布于我国冲洪积平原、河流三角洲和沿海平原等地区，具有低黏结性、离散程度大、可塑性低、难以压实等缺点。文章主要对粉土路基在吸水条件下的强度衰减特性进行研究，以期为粉土路基的强度设计提供参考。

1 粉土路基主要特征

1.1 粉土的物理性质

粉土主要由黄土经河流冲刷搬运形成，粒径小于0.075 mm的颗粒质量占比超过50%。粉土主要由石英、长石和云母等原生矿物组成，非黏土矿物含量高，而以蒙脱石和高岭石为主的黏土矿物含量少，干燥时黏结性较弱，可塑性低，不易成型。粉土路基在施工加压过程中易产生叠瓦状推移和分层现象，水敏影响强，不同湿度条件下结构强度差异显著，受冲蚀作用影响明显。

1.2 粉土路基常见问题和病害

1）压实度难以达到规范要求。粉土属于级配不良的筑路材料，砂粒与粉粒之间空隙缺少必要的填充物。粉土既不能与各种稳定剂产生有效作用，又不能在土体中起到骨架作用，导致粉土路基压实困难。

2）路基强度偏低。粉土以粉性颗粒为主，黏性和砂性颗粒占比较小，级配不良，颗粒间不能产生稳定的相互作用关系，造成路基整体稳定性下降。

3）边坡失稳。常见粉土路基边坡失稳类型包括浅层滑坡、边坡崩塌、雨水冲刷路基和路基滑移，主要原因是水分渗入边坡造成土体抗剪强度降低，叠加车辆反复荷载和毛细水的不利影响，路基强度衰减。

在高速公路建设中，粉土是较差的筑路材料，粉土路基的强度设计需考虑吸水效应的影响。

2 路基水分来源分析

公路路基须配套设计完善的排水系统，以降低含水量变化对路基使用寿命的影响。然而，在公路实际通车运营过程中，水分不可能被全部排出，部分液态或气态水分残留在路基土体内；受温度和其他自然条件影响，残留水分在土体间移动，增加土体影响区域。路基水分来源主要分为:

1）地下水。地下水位上升并渗入路基内部。

2）地表水。地表水在路基范围堆积；或道路排水系统出现故障，导致排水不良，过多水分滞留在路基两侧，并逐渐渗入路基。

3）大气降水。受降雨或积雪等因素影响，部分水分不可避免地通过中央分隔带、破损路面、土路肩和边沟渗入路基内部。雨水渗入量主要受降雨量、降雨时长及路基土体渗透系数影响，一般分布于路基边坡浅层区域，强降雨可能引起粉土路基边坡失稳，并出现路基浅层滑坡等病害。

4）毛细水。土体毛细水上升，增加地下水渗入量，导致路基含水量增加。

5）水蒸气。空气中的水蒸气在边坡附近凝聚并渗入路基。

6）灌溉用水。灌溉中央分隔带及边坡绿色植被时，部分水分渗入路基。

3 粉土路基不同含水量条件下的强度衰减试验

为探究粉土路基在吸水条件下的强度衰减变化规律，开展击实粉土的回弹模量试验和三轴压缩试验，分析粉土路基强度衰减特征，为路基稳定性分析和结构强度设计提供参考。

3.1 粉土路基回弹模量试验

路基变形是道路损坏的主要原因之一，而回弹模量作为控制路基变形的主要指标，其影响因素主要为土质类型、压实度和含水量。为探究含水量对路基强度的影响，用承载板法测定不同含水量条件下击实粉土的回弹模量。

选择重型II.2法制备压实度K=96%，含水量分别为12%、14%、16%、18%和20%的粉土样本，通过承载板法，测定回弹变形量及回弹模量，结果如图1所示。

图1 含水量与回弹模量变化关系

回弹模量计算公式为:

式中:E表示回弹模量 （kPa）；p表示承载板表面单位压力（kPa）；D 为承载板直径（cm）；l为对应单位压力的回弹变形量 （cm）；μ表示土的泊松比（试验取 0.35）。

图1表明，当含水量较小时，回弹模量变化较小，土体承载状况相对稳定；当含水量超过土体最佳含水量时，随着含水量的增加，土体回弹模量明显降低；土体含水量饱和时，回弹模量较小且趋于稳定，约为20 MPa。因此，粉土回弹模量对水敏感性较强烈，含水量的大小对回弹模量影响显著。用不同单位压力下的回弹模量取值来表征回弹模量随含水量的变化情况，如图2所示。

图2 含水量与回弹模量关系

图2 表明，压实粉土回弹模量随含水量的变化范围大致为20～50 MPa。现场抽样调查表明，高度小于2.5 m的低路堤含水量普遍超过18%；而高度大于2.5 m的路堤底部含水量基本处于饱和状态。因此，低粉土路堤设计回弹模量应保证在20～30 MPa范围内，而一般粉土路堤设计回弹模量应在30～40 MPa范围内。

3.2 粉土路基土体三轴压缩试验

当土体所受剪应力超过其抗剪强度时，必然引起土体失稳破坏。吸水路基在车辆荷载反复作用下，属于不固结、不排水状态。为探究粉土路基在吸水条件下的抗剪强度，开展不固结不排水压缩试验，分析含水量对粉土路基变形的影响。试验依据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）进行，试验围压分别取100 MPa、200 MPa和300 MPa。

3.2.1 土体试样

土体压实度为96%，制备3个含水量为16%的试样，含水量为12%、14%、18%和20%的试验样本各1个。将1个含水量为16%的样本吸水饱和（此时含水量为24.7%），将1个含水量为16%的样本切分为2个部分进行部分饱和，含水量控制在21%～24%。

3.2.2 试验结果分析

含水量与土体抗剪强度、内摩擦角的关系如图3所示。

图3 黏聚力和内摩擦角与含水量关系

由图3可知，含水量显著影响土体黏聚力和内摩擦角。当含水量较低时，随着含水量的增加，内摩擦角缓慢增加，含水量对黏聚力影响较小；当含水量达到20%左右并继续增加时，内摩擦角急剧降低；当含水量达到24%左右时，内摩擦角趋于稳定。黏聚力受含水量影响主要表现为:当含水量较小时，粉土表现出黏聚力较低的无黏性土的强度特征；当含水量增加时，黏聚力增加明显，但含水量超过16%左右时，黏聚力又急剧下降，粉土颗粒发生显著的软化效应。由图3可知含水量对黏聚力影响更加敏感。

含水量过高会导致粉土路基抗剪强度大幅降低，在车辆荷载反复作用下，路基塑性变形显著，并导致路基不均匀沉降，路面车辙病害增加，边坡稳定性明显下降，影响道路使用寿命。

4 结语

粉土路基具有强烈的水敏特征，当含水量较小并低于最佳含水量时，路基土体中含水量的增加对粉土回弹模量和内摩擦角影响较小，但黏聚力对含水量变化影响敏感；当粉土实际含水量超过最佳含水量并持续增加时，回弹模量、内摩擦角和黏聚力将显著降低，在含水量接近饱和状态时，内摩擦角趋于稳定但粉土颗粒出现明显软化效应。根据室内回弹模量试验及现场勘查结果，建议低粉土路堤回弹模量设计施工强度宜为20～30 MPa，一般粉土路堤回弹模量设计施工强度宜为30～40 MPa范围内。